Informace

3.7: Reference - biologie


3.7: Reference

Chiméra (genetika)

A genetický chimerismus nebo chiméra (/kaɪˈmɪərə/ ky- MEER -ə nebo /kɪˈmɪərə / kə- MEER -ə, také špalda chiméra nebo chiméra) je jediný organismus složený z buněk s více než jedním odlišným genotypem. U zvířat to znamená jedinec pocházející ze dvou nebo více zygotů, což může zahrnovat držení krvinek různých krevních typů, jemné odchylky ve formě (fenotyp), a pokud zygoty byly různého pohlaví, pak dokonce držení ženských a mužské pohlavní orgány [1] (to je jen jeden z mnoha různých jevů, které mohou vyústit v intersexualitu). Zvířecí chiméry vznikají sloučením více oplodněných vajíček. V rostlinných chimérách však různé typy tkání mohou pocházet ze stejné zygoty a rozdíl je často způsoben mutací během běžného buněčného dělení. Genetický chimerismus obvykle není při příležitostné inspekci viditelný, ale byl zjištěn při prokazování rodičovství. [2]

Jiný způsob, jakým může k chimerismu u zvířat dojít, je transplantace orgánu, kdy se získá jedna jednotlivá tkáň, která se vyvinula z jiného genomu. Například transplantace kostní dřeně často určuje následnou krevní skupinu příjemce. [ Citace je zapotřebí ]


  • POZOR! Manuál upřednostňuje systém jmen citací, takže příklady v knize se jím obvykle řídí a budou muset být přeloženy do stylu jména a roku pomocí pravidel v sekci knihy 29.2.1.2.
  • V systému jmenných let používají odkazy v textu příjmení autora a rok vydání.
  • V níže uvedených příkladech nejprve uvidíte příklad citace v textu. Následuje citace, která by se objevila v bibliografii (konečné odkazy).

PŘÍKLAD 1

Naučit se používat vědecké databáze je klíčem k nalezení biologické literatury (McMillan 2006).

McMillan VE. 2006. Psaní příspěvků v biologických vědách. 4. vyd. Boston: Bedford/St. Martin a#39.

PŘÍKLAD 2

Ukázalo se, že lidská monoklonální protilátka interleukin-12/23 je účinná při léčbě psoriázy. (Krueger et al. 2007).

Krueger GG, Langley RG, Leonardi C, Yeilding N, Guzzo C, Wang Y, Dooley LT, Lebwohl PH, Lebwohl M. 2007. Lidská interleukin-12/23 monoklonální protilátka pro léčbu psoriázy. N Engl J Med. 356: 580-592.

PŘÍKLAD 3

Knothe (2006) používá jedinečný přístup k citační analýze.

Knothe G. 2006. Srovnávací citační analýza duplicitních nebo vysoce souvisejících publikací. JASIST. 57: 1830-1839.


Závěry

Pohlavní rozdíly v krevním tlaku a prevalence hypertenze jsou velmi zachovány napříč rasou, etnikem a zemí původu. Tento robustní nález u lidí je také pozorován u živočišných druhů včetně savců a ptačích druhů. Zatímco rozdíly v profilu gonadálních steroidů přispívají k sexuálnímu dimorfismu při kontrole krevního tlaku, přispívají také pohlavní chromozomy nezávisle na prostředí gonadálních hormonů. Mezery v našich znalostech týkajících se rozdílů mezi pohlavími u primární hypertenze zahrnují roli T, FSH a LH a změny v poměrech těchto steroidů při ovlivňování krevního tlaku u mužů i žen v průběhu celého života.

Studie porovnávající rozdíly mezi muži a ženami ve fyziologických parametrech, jako je krevní tlak, mají mnoho zmatků, zatímco studie prováděné pomocí čtyřjádrového myšího modelu genotypu jsou jedinečně schopné izolovat pohlavní chromozom od účinků gonadálních hormonů, ke kterým dochází in utero nebo během vývoje. Alternativně je zaměření na regulaci gonadálních hormonů v rámci jednoho pohlaví cennou strategií pro získání vhledů relevantních pro toto konkrétní pohlaví. Kromě toho je pravděpodobné, že zaměření na geny na chromozomu Y, které se nenacházejí na X, a roli genů, které uniknou X-inaktivaci, nebo studium vlivu rodičovského otisku a mosacisimu na arteriální tlak, odhalí nové poznatky o kontrole krevního tlaku, které mohou v konečném důsledku použít k vývoji nových cílů pro léčbu hypertenze a přidružených onemocnění, jakož i poskytnout odůvodnění pro léčbu mužů a žen antihypertenzními režimy, které dosáhnou maximální optimalizace u obou pohlaví.


Autoři

Životopis

Dr. Karthik Raman je docentem na katedře biotechnologie, Bhupat & amp; Jyoti Mehta School of Biosciences, Indian Institute of Technology Madras. Je spoluzakladatelem a koordinátorem iniciativy Inženýrství biologických systémů a je klíčovým členem centra Robert Bosch Center for Data Science and Artificial Intelligence (RBCDSAI). Posledních 15 a více let je výzkumníkem v oblasti systémové biologie a posledních osm let vede kurz systémové biologie pro (většinou) inženýry z různých prostředí. Jeho laboratoř pracuje na výpočetních přístupech k pochopení a manipulaci s biologickými sítěmi s aplikacemi v metabolickém inženýrství a syntetické biologii.


Výběr modelu pomocí kritérií založených na pravděpodobnosti (např. AIC) je jedním z prvních kroků ve fylogenetické analýze. Je třeba vybrat substituční matici i model pro sazby na různých stránkách. Jednoduchou metodou je otestovat všechny kombinace a vybrat tu nejlepší. Abychom se vyhnuli těmto rozsáhlým výpočtům, popisujeme heuristiku. Runtime je děleno ∼2, přičemž výsledky zůstávají téměř stejné a metoda funguje dobře ve srovnání s ProtTest a jModelTest2. Náš software „Smart Model Selection“ (SMS) je implementován v prostředí PhyML a je k dispozici pomocí dvou rozhraní: příkazového řádku (bude integrováno do potrubí) a webového serveru (http://www.atgc-montpellier.fr /phyml-sms/).

Současné fylogenetické programy poskytují uživatelům širokou škálu modelů, které představují variabilitu sazeb mezi místy (RAS) i proces substituce. U proteinů bylo odvozeno velké množství substitučních matic pro různé typy proteinů (např. Membránové a mitochondriální) a jejich původ (např. Savci a viry). K výběru z těchto mnoha modelů se používají statistická kritéria (např. AIC [Akaike 1973] a BIC [Schwarz 1978]) k nalezení nejlepšího kompromisu pravděpodobnosti/složitosti modelu. Jednoduchý, standardní přístup je otestovat všechny modely a poté vybrat ten nejlepší. To tvoří základ široce používaných, uživatelsky přívětivých softwarových programů, jako je ProtTest pro proteiny (Abascal et al. 2005).

Zde představujeme nový softwarový nástroj k dosažení tohoto úkolu: SMS, což znamená „Smart Model Selection“. Tento nástroj se velmi snadno používá, protože SMS jsou plně integrovány do webového serveru PhyML (obrA a b Guindon a kol. 2010). SMS lze také použít jako samostatnou aplikaci a je volně k dispozici ke stažení (http://www.atgc-montpellier.fr/sms/). SMS používá heuristické strategie, aby se vyhnula testování všech modelů a možností. Tyto strategie jsou částečně inspirovány Posadou a Crandallem (1998) a Darribou a kol. (2012). Zejména tento navrhl rychlou metodu nazvanou „modelování filtrů“, která se zaměří na nejslibnější substituční matice pro DNA, zatímco naše heuristika pro proteiny také řadí matice na základě jejich blízkosti k analyzovaným datům. SMS navíc zjednodušuje některé výpočty, aby ušetřil výpočetní čas. To je obzvláště důležité v kontextu potrubí pro provádění rozsáhlých fylogenetických analýz, například ke studiu proteinových rodin. Níže shrnujeme hlavní vlastnosti SMS a její výkon ve srovnání s vyčerpávajícím přístupem, stejně jako jModelTest2 (Darriba et al. 2012) a ProtTest. Kompletní podrobnosti o algoritmech, sadách srovnávacích dat a výsledcích srovnání jsou k dispozici v doplňkovém materiálu.

U proteinů jsou všechny substituční matice dostupné v PhyML k dispozici také v SMS (obr. 1c, 17 matic). Uživatelé mohou navíc přidávat vlastní matice. Všechny matice lze použít s možností +F (frekvence aminokyselin se odhadují z dat) a −F (předem odhadované frekvence). SMS má pouze dvě možnosti modelování RAS: +Γ (distribuce gama) a +Γ +I (přidává se jedna třída invariantních webů). Rozsáhlá srovnání (doplňková tabulka S4, doplňkový materiál online) s 500 reprezentativními soubory proteinových dat ukázala, že jen zřídka je vybrána možnost +I (1/500 s AIC, 4/500 s BIC) a totéž platí pro −Γ− Možnost I nebo „žádný“ (3/500 s AIC, 4/500 s BIC). Uspořádání více sekvencí proteinů (MSA) má obvykle několik konstantních míst (střední podíl v našich souborech dat ≈ 3%) a očekáváme vysokou variabilitu rychlostí míst způsobenou variabilitou funkčních a strukturálních omezení působících podél proteinových sekvencí. Tyto výsledky a volby jsou tedy biologicky konzistentní. SMS má celkem 17 (matice) x 2 (+F/−F) x 2 (RAS) = 68 modelů. V průměru SMS vypočítá hodnotu pravděpodobnosti pouze pro ∼30 modelů. Výpočetní čas je dělen ∼2 ve srovnání s vyčerpávajícími výpočty za použití stejných modelů a ∼3,5 ve srovnání s ProtTestem (tabulka 1), který zkoumá vyčerpávajícím způsobem větší sadu modelů (120, doplňková tabulka S5, doplňkový materiál online). Na základě uživatelem zvoleného kritéria (AIC/BIC) je základní princip v SMS následující: i) pomocí stromové topologie BioNJ (Gascuel 1997) SMS odhaduje délky větví a parametry modelu pro LG (Le a Gascuel 2008) a dvě možnosti RAS ii) pomocí „nejslibnější“ možnosti RAS s LG vybere SMS nejlepší matici substituce a možnost +F/−F, aby se zabránilo systematickému výpočtu možností +F i −F, jsou matice seřazeny podle podobnosti z frekvencí aminokyselin v datech a těch předem odhadnutých v matici iii) SMS vybere nejlepší „dekoraci“ (tj. možnosti RAS a +F/−F) pro nejlepší matici. Zisk ve výpočetním čase je vysvětlen skutečností, že pro většinu substitučních matic SMS provádí pouze 1 nebo 2 vyhodnocení pravděpodobnosti na matici (v průměru 1,75, což odpovídá různým dekoracím), ve srovnání se čtyřmi pro vyčerpávající přístup, který vyhodnocuje všechny dekorace pro všechny matice.

Srovnání metod s 500 DNA a 500 proteinovými reprezentativními MSA.

Metody. Data. Kritérium. Stejný model. SMS lepší. SMS horší. Δ AIC a zesilovač Δ BIC na taxon na web. # PhyML spouští SMS/jiné. Zvýšení rychlosti.
SMS versus vyčerpávající DNA AIC 486 na 14 4,6 x 10 −5 6.1/16 1.9–2.0
BIC 476 na 24 8,0 x 10 −5 7.5/16 1.7–1.9
SMS versus vyčerpávající Protein AIC 494 na 6 3,7 x 10 −3 29.3/68 2.2–2.1
BIC 497 na 3 3,8 x 10 −3 30.2/68 2.1–2.0
SMS versus jModelTest2 DNA AIC 380 85 35 −2,5 x 10 −5 6.1/7.8 1.1–0.8
BIC 308 151 41 −1,1 x 10 −4 7.5/7.8 0.9–0.8
SMS versus ProtTest Protein AIC 465 14 21 −8,9 x 10 −4 29.3/120 3.7–3.4
BIC 465 12 23 −7,5 x 10 −4 30.2/120 3.5–3.2
Metody. Data. Kritérium. Stejný model. SMS lepší. SMS horší. Δ AIC a zesilovač Δ BIC na taxon na web. # PhyML spouští SMS/jiné. Zvýšení rychlosti.
SMS versus vyčerpávající DNA AIC 486 na 14 4,6 x 10 −5 6.1/16 1.9–2.0
BIC 476 na 24 8,0 x 10 −5 7.5/16 1.7–1.9
SMS versus vyčerpávající Protein AIC 494 na 6 3,7 x 10 −3 29.3/68 2.2–2.1
BIC 497 na 3 3,8 x 10 −3 30.2/68 2.1–2.0
SMS versus jModelTest2 DNA AIC 380 85 35 −2,5 x 10 −5 6.1/7.8 1.1–0.8
BIC 308 151 41 −1,1 x 10 −4 7.5/7.8 0.9–0.8
SMS versus ProtTest Protein AIC 465 14 21 −8,9 x 10 −4 29.3/120 3.7–3.4
BIC 465 12 23 −7,5 x 10 −4 30.2/120 3.5–3.2

Poznámka - „Vyčerpávající“ přístup používá stejnou sadu modelů jako SMS a všechny vyhodnocuje. „Stejný model“: kolikrát (mezi 500 MSA), kde obě metody vrací stejný model „SMS lepší“: kolikrát má model vrácený pomocí SMS nižší hodnotu AIC/BIC „SMS horší“: kolikrát model vrácený pomocí SMS má vyšší hodnotu AIC/BIC „Δ AIC a Δ BIC na taxon na web“: když se oba modely lišily, vypočítali jsme rozdíl v AIC/BIC na taxon na web a zprůměrovali jsme výsledky ze všech MSA zobrazení rozdílu modelu (záporná/kladná hodnota znamená, že model SMS je lepší/horší, pokud jde o AIC/BIC) „# spuštění PhyML“: počet spuštění PhyML pro jednu metodu oproti druhé „zvýšení rychlosti“: pro každou MSA, vypočítali jsme poměr času výpočtu porovnávané metody k SMS (např. 2 znamená, že SMS je dvakrát rychlejší), přičemž sloupec zobrazuje: i) střední hodnotu mezi 500 poměry zrychlení pro všechny MSA, ii) střední hodnota pro 50 největších MSA (počet lokalit x počet taxonů viz doplňkový obr. S1, doplňkový materiál onl ine for additional computing time results with large MSAs).

Srovnání metod s 500 DNA a 500 proteinovými reprezentativními MSA.

Metody. Data. Kritérium. Stejný model. SMS lepší. SMS horší. Δ AIC a zesilovač Δ BIC na taxon na web. # PhyML spouští SMS/jiné. Zvýšení rychlosti.
SMS versus vyčerpávající DNA AIC 486 na 14 4,6 x 10 −5 6.1/16 1.9–2.0
BIC 476 na 24 8,0 x 10 −5 7.5/16 1.7–1.9
SMS versus vyčerpávající Protein AIC 494 na 6 3,7 x 10 −3 29.3/68 2.2–2.1
BIC 497 na 3 3,8 x 10 −3 30.2/68 2.1–2.0
SMS versus jModelTest2 DNA AIC 380 85 35 −2,5 x 10 −5 6.1/7.8 1.1–0.8
BIC 308 151 41 −1,1 x 10 −4 7.5/7.8 0.9–0.8
SMS versus ProtTest Protein AIC 465 14 21 −8,9 x 10 −4 29.3/120 3.7–3.4
BIC 465 12 23 −7,5 x 10 −4 30.2/120 3.5–3.2
Metody. Data. Kritérium. Stejný model. SMS lepší. SMS horší. Δ AIC a zesilovač Δ BIC na taxon na web. # PhyML spouští SMS/jiné. Zvýšení rychlosti.
SMS versus vyčerpávající DNA AIC 486 na 14 4,6 x 10 −5 6.1/16 1.9–2.0
BIC 476 na 24 8,0 x 10 −5 7.5/16 1.7–1.9
SMS versus vyčerpávající Protein AIC 494 na 6 3,7 x 10 −3 29.3/68 2.2–2.1
BIC 497 na 3 3,8 x 10 −3 30.2/68 2.1–2.0
SMS versus jModelTest2 DNA AIC 380 85 35 −2,5 x 10 −5 6.1/7.8 1.1–0.8
BIC 308 151 41 −1,1 x 10 −4 7.5/7.8 0.9–0.8
SMS versus ProtTest Protein AIC 465 14 21 −8,9 x 10 −4 29.3/120 3.7–3.4
BIC 465 12 23 −7,5 x 10 −4 30.2/120 3.5–3.2

Poznámka - „Vyčerpávající“ přístup používá stejnou sadu modelů jako SMS a všechny vyhodnocuje. „Stejný model“: kolikrát (mezi 500 MSA), kde obě metody vrací stejný model „SMS lepší“: kolikrát má model vrácený pomocí SMS nižší hodnotu AIC/BIC „SMS horší“: kolikrát model vrácený pomocí SMS má vyšší hodnotu AIC/BIC „Δ AIC a Δ BIC na taxon na web“: když se oba modely lišily, vypočítali jsme rozdíl v AIC/BIC na taxon na web a zprůměrovali jsme výsledky ze všech MSA zobrazení modelového rozdílu (záporná/kladná hodnota znamená, že model SMS je lepší/horší, pokud jde o AIC/BIC) „# spuštění PhyML“: počet spuštění PhyML pro jednu metodu oproti druhé „zvýšení rychlosti“: pro každou MSA, vypočítali jsme poměr času výpočtu porovnávané metody k SMS (např. 2 znamená, že SMS je dvakrát rychlejší), přičemž sloupec zobrazuje: i) střední hodnotu mezi 500 poměry zrychlení pro všechny MSA, ii) střední hodnota pro 50 největších MSA (počet lokalit x počet taxonů viz doplňkový obr. S1, doplňkový materiál onl ine for additional computing time results with large MSAs).

Rozhraní, vstup, výstup, modely a možnosti. (A) Ve výchozím nastavení je substituční model vybrán pomocí SMS pomocí AIC nebo si uživatel může vybrat BIC nebo vybrat model ručně. (B) Výstup obsahuje standardní výsledky PhyML a model vybraný pomocí SMS s podrobnými informacemi. (C) Modely a možnosti dostupné v SMS.

Rozhraní, vstup, výstup, modely a možnosti. (A) Ve výchozím nastavení je substituční model vybrán pomocí SMS pomocí AIC nebo si uživatel může vybrat BIC nebo vybrat model ručně. (B) Výstup obsahuje standardní výsledky PhyML a model vybraný pomocí SMS s podrobnými informacemi. (C) Modely a možnosti dostupné v SMS.

Výpočty s DNA jsou jednodušší než s proteiny, protože dnešní MSA jsou nejčastěji dostatečně velké, aby GTR bylo nejlepší ve srovnání s jinými substitučními maticemi. Nejjednodušší matice navíc nejsou uspokojivé, protože nezohledňují poměr přechodu/transverze a/nebo nestejné základní frekvence. Experimenty s 500 reprezentativními MSA potvrdily tyto hypotézy a jsou v souladu s rozsáhlou studií (Arbiza et al. 2011). S AIC je GTR nejlepší pro 343/500 MSA, zatímco JC69, K80 a F81 jsou nejlepší pouze s 9/500 MSA (doplňková tabulka S3, doplňkový materiál online). S BIC je však K80 nejlepší pro 48/500 MSA. SMS tedy používá čtyři substituční matice: GTR, TN93, HKY85 a K80, které jsou kombinovány s +I, +Γ, +Γ +I a „žádný“ (užitečné jsou všechny čtyři možnosti RAS, doplňková tabulka S3, doplňkový materiál online ), tedy celkem 4 x 4 = 16 modelů. V průměru SMS vypočítá hodnotu pravděpodobnosti ∼6 modelů s AIC a 7,5 s BIC, čímž vydělí čas výpočtu o ∼2 ve srovnání s vyčerpávajícím přístupem pomocí stejných modelů. Na základě uživatelem zvoleného kritéria (AIC/BIC), základního principu v SMS takto: i) pomocí stromové topologie BioNJ odhaduje SMS délky větví a parametry modelu pro GTR a čtyři možnosti RAS ii) pomocí „nejslibnějších ”Možnost RAS s GTR, SMS vybírá nejlepší matici postupně: SMS porovnává GTR a TN93, pokud je GTR lepší, pak SMS zastaví a udržuje GTR jinak, SMS porovnává HKY85 s TN93 atd. (Pamatujte, že GTR, TN93, HKY85 a K80 jsou vnořené) iii) SMS vybírá nejlepší možnost RAS pro nejlepší matici. Tento jednoduchý přístup v kombinaci s relativně malou sadou modelů činí SMS téměř stejně rychlou jako jModelTest2 pomocí možnosti rychlého filtrování modelů (doplňkový obr. S1, doplňkový materiál online).

Navzdory značnému nárůstu výpočetního času jsou výsledky SMS téměř stejné jako výsledky získané vyčerpávajícím přístupem za použití stejných modelů a SMS si vede dobře ve srovnání s jModelTest2 a ProtTest (tabulka 1).K porovnání těchto metod jsme použili 500 DNA a 500 proteinů MSA, což odpovídá prvním MSA odeslaným na webový server PhyML od zpřístupnění beta testovací verze SMS (duben 2015). Nebyl proveden žádný výběr, takže tyto soubory dat jsou reprezentativní pro MSA běžně používané pro fylogenetické analýzy. Některé z těchto MSA jsou velmi malé (např. Celkem 231 aminokyselin, s 11 taxony a 231 místy), některé jsou velmi velké (např. 14 160 098 aminokyselin), některé obsahují více než 1 000 taxonů a některé mají velký počet míst ( např. 52 092 nukleotidových míst). Abychom potvrdili naše zjištění, použili jsme také 100 středně velkých MSA použitých k porovnání PhyML 3.0 (Guindon et al. 2010). Výsledky s touto druhou, nezávislou sadou MSA jsou plně shodné (doplňková tabulka S6, doplňkový materiál online). Spustili jsme jModelTest2 a ProtTest s rychlými možnostmi, protože SMS byly navrženy tak, aby byly rychlé. Kromě toho jsme vybrali možnosti, aby se tyto dva programy co nejvíce přiblížily SMS, pokud jde o substituční matice, modelování RAS a odhad rovnovážné frekvence. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 1. Pro shrnutí: SMS funguje dobře ve srovnání s vyčerpávajícím přístupem, ve většině případů najde stejné nebo podobné modely týkající se hodnot AIC/BIC, zatímco zisk z výpočetního času je poměrně značný. Navíc SMS má tendenci vybírat lepší modely než jModelTest2 s možností rychlého „filtrování modelu“ a díky přizpůsobené heuristice je mnohem rychlejší než ProtTest. Zisky v AIC/BIC pomocí SMS jsou částečně vysvětleny jeho sadou substitučních matic, zejména MtZoa pro proteiny a TN93 pro DNA, které nejsou k dispozici v ProtTest a jModelTest2 (s výchozími možnostmi). U proteinů, SMS a ProtTest nacházejí ve většině případů stejný model, když se modely liší (35/500 MSA), ProtTest najde lepší model než SMS v ~ 60% případů, ale průměrný rozdíl AIC/BIC je ve prospěch SMS. U DNA jsou sady modelů odlišnější než u proteinů a SMS a jModelTest2 se liší pro 120 a 192 MSA s AIC a BIC, respektive když se modely liší, SMS najde lepší model než jModelTest2 v ∼75% případů, a průměrný rozdíl AIC/BIC je jednoznačně ve prospěch SMS. Zisky výpočetního času SMS s proteiny jsou v praxi poměrně značné (doplňkový obr. S1, doplňkový materiál online). ProtTest například vyžaduje více než 100 hodin ke zpracování největší MSA (1 151 taxonů a 798 webů), zatímco SMS vyžaduje ∼20 h pomocí stejného počítače.


Co je to heterogenní hmota?

Podle Genes & amp Development je heterogenní hmotou v biologii nádor s normálními buňkami i neoplastickými buňkami, což jsou buňky abnormální růstové tkáně. Heterogenní masy se nazývají solidní nádory a mohou být rakovinné.

Dr. Barry T. Kahn ze společnosti HealthTap vysvětluje, že heterogenní masy mohou být maligní nebo benigní. V závislosti na velikosti je třeba odebrat heterogenní masy a vyšetřit na malignitu. Některé heterogenní hmoty na vaječnících se vyřeší samy.

Wikipedia dále vysvětluje, že heterogenita rakovinotvorných mas ztěžuje léčbu rakoviny, protože buňky mají různé formy, genové výrazy, pohyblivost a metabolismus. Například některé buňky v nádorech jsou kmenové buňky rakoviny, které zase mohou tvořit více nádorů. Kromě toho existují rozdíly v rakovinných kmenových buňkách. Tyto rozdíly v rakovinných buňkách se částečně vyskytují v důsledku mutací, nestability genů, zhoršené DNA a vnějších nebo okolních vlivů. Všechny tyto různé a různé buňky činí samotný nádor heterogenní a obtížně se léčí. Podávání léčiv, jedna z možností léčby rakoviny, nezabíjí všechny různé druhy rakovinotvorných buněk v nádoru.

Rakoviny, které mají heterogenní masy, zahrnují rakovinu prsu, rakovinu prostaty, rakovinu tlustého střeva, rakovinu mozku, myelom a leukémii, uvádí Wikipedie.


Obsah

„Biologie“ pochází ze starověkých řeckých slov βίος romanized bíos znamenajících „život“ a -λογία romanized logía (-logy), což znamená „obor studia“ nebo „mluvit“. [11] [12] Tyto kombinace činí z řeckého slova βιολογία romanized biologia význam biologie. Navzdory tomu výraz βιολογία jako celek ve starověké řečtině neexistoval. První, kdo si ji vypůjčil, byla angličtina a francouzština (biologie). Historicky v angličtině existoval jiný výraz pro „biologii“, v současnosti se dnes používá jen zřídka.

Latinská forma termínu se poprvé objevila v roce 1736, kdy švédský vědec Carl Linnaeus (Carl von Linné) použil biologi v jeho Bibliotheca Botanica. To bylo znovu použito v roce 1766 v díle s názvem Philosophiae naturalis sive physicae: tomus III, kontinentální geolog, biolog, phytologian generalis, Michael Christoph Hanov, žák Christiana Wolffa. První německé použití, Biologie, byl v roce 1771 překlad Linnaeova díla. V roce 1797 použil Theodor Georg August Roose termín v předmluvě knihy, Grundzüge der Lehre van der Lebenskraft. Karl Friedrich Burdach použil tento termín v roce 1800 v užším smyslu pro studium lidí z morfologického, fyziologického a psychologického hlediska (Propagace ze studia na Heilkunst). Termín vstoupil do jeho moderního použití s ​​šestidílným pojednáním Biologie, nebo Philosophie der lebenden Natur (1802–22) od Gottfrieda Reinholda Trevirana, který oznámil: [13]

Předměty našeho výzkumu budou různé formy a projevy života, podmínky a zákony, za kterých se tyto jevy vyskytují, a příčiny, kterými byly ovlivněny. Vědu, která se těmito objekty zabývá, označíme názvem biologie [Biologie] nebo doktrína života [Lebenslehre].

Nejstarší kořeny vědy, které zahrnovaly medicínu, lze vysledovat do starověkého Egypta a Mezopotámie kolem roku 3000 až 1200 př. N. L. [14] [15] Jejich příspěvky později vstoupily a formovaly řeckou přírodní filozofii klasického starověku. [14] [15] [16] [17] Starověcí řečtí filozofové jako Aristoteles (384–322 př. N. L.) Významně přispěli k rozvoji biologických znalostí. Jeho díla jako např Historie zvířat byly obzvláště důležité, protože odhalily jeho naturalistické sklony a později více empirická díla, která se zaměřovala na biologickou příčinnou souvislost a rozmanitost života. Aristotelův nástupce na lyceu, Theophrastus, napsal sérii knih o botanice, které přežily jako nejdůležitější příspěvek starověku k vědám o rostlinách, a to i do středověku. [18]

Mezi učence středověkého islámského světa, kteří psali o biologii, patřili al-Jahiz (781–869), Al-Dīnawarī (828–896), kteří psali o botanice, [19] a Rhazes (865–925), kteří psali o anatomii a fyziologii . Medicína byla zvláště dobře studována islámskými učenci pracujícími v tradicích řeckých filozofů, zatímco přírodní historie silně čerpala z aristotelského myšlení, zejména při udržování pevné hierarchie života.

Biologie se začala rychle rozvíjet a růst díky dramatickému vylepšení mikroskopu Antona van Leeuwenhoka. Tehdy vědci objevili spermie, bakterie, infusorie a rozmanitost mikroskopického života. Vyšetřování Jana Swammerdama vedla k novému zájmu o entomologii a pomohla vyvinout základní techniky mikroskopické pitvy a barvení. [20]

Pokroky v mikroskopii měly také hluboký dopad na biologické myšlení. Na počátku 19. století poukazovala řada biologů na ústřední význam buňky. Poté, v roce 1838, začali Schleiden a Schwann prosazovat nyní univerzální myšlenky, že (1) základní jednotkou organismů je buňka a (2) že jednotlivé buňky mají všechny vlastnosti života, ačkoli se stavěly proti myšlence, že (3) všechny buňky pocházejí z dělení ostatních buněk. Díky práci Roberta Remaka a Rudolfa Virchowa však v 60. letech 19. století většina biologů přijala všechny tři principy toho, co začalo být známé jako buněčná teorie. [21] [22]

Mezitím se taxonomie a klasifikace staly středem zájmu přírodních historiků. Carl Linnaeus publikoval základní taxonomii pro přírodní svět v roce 1735 (variace, které se od té doby používají), a v 50. letech 17. století představil vědecká jména pro všechny své druhy. [23] Georges-Louis Leclerc, Comte de Buffon, považoval druhy za umělé kategorie a živé formy za poddajné-dokonce naznačuje možnost společného původu. Ačkoli byl proti evoluci, Buffon je klíčovou postavou v historii evolučního myšlení, jeho práce ovlivnila evoluční teorie Lamarcka i Darwina. [24]

Vážné evoluční myšlení vzniklo z děl Jeana-Baptiste Lamarcka, který jako první představil koherentní evoluční teorii. [26] Domníval se, že evoluce je důsledkem environmentálního stresu na vlastnosti zvířat, což znamená, že čím častěji a přísněji byl orgán používán, tím komplexnější a účinnější se stane, čímž se zvíře přizpůsobí svému prostředí. Lamarck věřil, že tyto získané vlastnosti pak mohou být přeneseny na potomstvo zvířete, které je bude dále rozvíjet a zdokonalovat. [27] Byl to však britský přírodovědec Charles Darwin, který kombinoval biogeografický přístup Humboldta, uniformitariánskou geologii Lyella, Malthusovy spisy o populačním růstu a vlastní morfologické znalosti a rozsáhlá přírodní pozorování, kdo vytvořil úspěšnější evoluční teorii založenou na podobné úvahy a důkazy vedly Alfreda Russela Wallace k přirozenému výběru k nezávislému dosažení stejných závěrů. [28] [29] Darwinova teorie evoluce přirozeným výběrem se rychle rozšířila po vědecké komunitě a brzy se stala ústředním axiomem rychle se rozvíjející biologické vědy.

Základ moderní genetiky začal prací Gregora Mendela, který představil svůj příspěvek „Versuche über Pflanzenhybriden"(" Experimental on Plant Hybridization "), v roce 1865, [30], který nastínil principy biologické dědičnosti, sloužící jako základ pro moderní genetiku. [31] Význam jeho práce byl však realizován až na počátku 20. století když se evoluce stala sjednocenou teorií, protože moderní syntéza sladila darwinovskou evoluci s klasickou genetikou. [32] Ve čtyřicátých a na počátku padesátých let řada experimentů Alfreda Hersheye a Marthy Chase poukázala na DNA jako na součást chromozomů, které držely rys- nesoucí jednotky, které se staly známými jako geny. Zaměření na nové druhy modelových organismů, jako jsou viry a bakterie, spolu s objevem dvojšroubovicové struktury DNA Jamesem Watsonem a Francisem Crickem v roce 1953 znamenal přechod do éry molekulární genetiky. Od 50. let 20. století do současnosti byla biologie v molekulární oblasti značně rozšířena. Genetický kód rozluštili Har Gobind Khorana, Robert W. Holley a Marshall Warren Nirenberg ze Ter DNA byla chápána tak, že obsahuje kodony. Nakonec byl v roce 1990 zahájen projekt lidského genomu s cílem zmapovat obecný lidský genom. Tento projekt byl v podstatě dokončen v roce 2003 [33], přičemž další analýzy jsou stále publikovány. Projekt lidského genomu byl prvním krokem v globalizovaném úsilí začlenit nahromaděné znalosti biologie do funkční, molekulární definice lidského těla a těl jiných organismů.

Chemický základ

Atomy a molekuly

Všechny živé organismy se skládají z hmoty a veškerá hmota se skládá z prvků. [34] Kyslík, uhlík, vodík a dusík jsou čtyři prvky, které tvoří 96% všech živých organismů, přičemž zbývajících 3,7% tvoří vápník, fosfor, síra, sodík, chlor a hořčík. [34] Různé prvky se mohou spojovat a vytvářet sloučeniny, jako je voda, která je pro život zásadní. [34] Život na Zemi začal z vody a zůstal tam asi tři miliardy let, než se přenesl na pevninu. [35] Hmota může existovat v různých stavech jako pevná látka, kapalina nebo plyn.

Nejmenší jednotkou prvku je atom, který se skládá z jádra a jednoho nebo více elektronů vázaných na jádro. Jádro je tvořeno jedním nebo více protony a několika neutrony. Jednotlivé atomy mohou být drženy pohromadě chemickými vazbami za vzniku molekul a iontových sloučenin. [34] Mezi běžné typy chemických vazeb patří iontové vazby, kovalentní vazby a vodíkové vazby. Iontová vazba zahrnuje elektrostatickou přitažlivost mezi opačně nabitými ionty nebo mezi dvěma atomy s výrazně odlišnými elektronegativitami [36] a je primární interakcí vyskytující se v iontových sloučeninách. Ionty jsou atomy (nebo skupiny atomů) s elektrostatickým nábojem. Atomy, které získávají elektrony, vytvářejí záporně nabité ionty (nazývané anionty), zatímco ty, které ztrácejí elektrony, vytvářejí kladně nabité ionty (nazývané kationty).

Na rozdíl od iontových vazeb zahrnuje kovalentní vazba sdílení elektronových párů mezi atomy. Tyto páry elektronů a stabilní rovnováha přitažlivých a odpudivých sil mezi atomy, když sdílejí elektrony, se nazývá kovalentní vazba. [37]

Vodíková vazba je primárně elektrostatická přitažlivá síla mezi atomem vodíku, který je kovalentně vázán na elektronegativnější atom nebo skupinu, jako je kyslík. Mezi molekulami vody se nachází všudypřítomný příklad vodíkové vazby. V diskrétní molekule vody jsou dva atomy vodíku a jeden atom kyslíku. Dvě molekuly vody mohou mezi sebou vytvořit vodíkovou vazbu. Když je přítomno více molekul, jako je tomu u kapalné vody, je možné více vazeb, protože kyslík jedné molekuly vody má dva osamocené páry elektronů, z nichž každý může vytvořit vodíkovou vazbu s vodíkem na jiné molekule vody.

Organické sloučeniny

S výjimkou vody obsahují téměř všechny molekuly, které tvoří každý živý organismus, uhlík. [38] [39] Uhlík může tvořit velmi dlouhé řetězce propojovacích vazeb uhlík -uhlík, které jsou silné a stabilní. Nejjednodušší formou organické molekuly je uhlovodík, což je velká rodina organických sloučenin, které se skládají z atomů vodíku spojených s řetězcem atomů uhlíku. Uhlovodíkový hlavní řetězec může být nahrazen jinými atomy. V kombinaci s dalšími prvky, jako je kyslík, vodík, fosfor a síra, může uhlík tvořit mnoho skupin důležitých biologických sloučenin, jako jsou cukry, tuky, aminokyseliny a nukleotidy.

Makromolekuly

Molekuly, jako jsou cukry, aminokyseliny a nukleotidy, mohou působit jako jednotlivé opakující se jednotky nazývané monomery za vzniku řetězcových molekul nazývaných polymery prostřednictvím chemického procesu nazývaného kondenzace. [40] Například aminokyseliny mohou tvořit polypeptidy, zatímco nukleotidy mohou tvořit vlákna deoxyribonukleové kyseliny (DNA) nebo ribonukleové kyseliny (RNA). Polymery tvoří tři ze čtyř makromolekul (polysacharidů, lipidů, proteinů a nukleových kyselin), které se nacházejí ve všech živých organismech. Každá makromolekula hraje specializovanou roli v dané buňce. Některé polysacharidy mohou například fungovat jako skladovací materiál, který lze hydrolyzovat, aby se buňkám poskytl cukr. Lipidy jsou jedinou třídou makromolekul, které nejsou složeny z polymerů, a biologicky nejdůležitější lipidy jsou tuky, fosfolipidy a steroidy. [40] Proteiny jsou nejrozmanitější z makromolekul, které zahrnují enzymy, transportní proteiny, velké signální molekuly, protilátky a strukturální proteiny. Nakonec nukleové kyseliny ukládají, přenášejí a vyjadřují dědičné informace. [40]

Buňky

Buněčná teorie říká, že buňky jsou základní jednotky života, že všechny živé věci se skládají z jedné nebo více buněk a že všechny buňky vznikají z již existujících buněk prostřednictvím buněčného dělení. [41] Většina buněk je velmi malá, o průměru od 1 do 100 mikrometrů, a jsou proto viditelná pouze pod světelným nebo elektronovým mikroskopem. [42] Obecně existují dva typy buněk: eukaryotické buňky, které obsahují jádro, a prokaryotické buňky, které nikoli. Prokaryoty jsou jednobuněčné organismy, jako jsou bakterie, zatímco eukaryoty mohou být jednobuněčné nebo mnohobuněčné. U mnohobuněčných organismů je každá buňka v těle organismu odvozena nakonec z jedné buňky oplodněného vajíčka.

Buněčná struktura

Každá buňka je uzavřena v buněčné membráně, která odděluje její cytoplazmu od extracelulárního prostoru. [43] Buněčná membrána se skládá z lipidové dvojvrstvy, včetně cholesterolů, které sedí mezi fosfolipidy, aby si zachovaly svoji tekutost při různých teplotách. Buněčné membrány jsou semipermeabilní, což umožňuje průchod malých molekul, jako je kyslík, oxid uhličitý a voda, a zároveň omezuje pohyb větších molekul a nabitých částic, jako jsou ionty. [44] Buněčné membrány také obsahují membránové proteiny, včetně integrálních membránových proteinů, které procházejí membránou a slouží jako membránové transportéry, a periferních proteinů, které se volně připojují k vnější straně buněčné membrány a působí jako enzymy formující buňku. [45] Buněčné membrány se podílejí na různých buněčných procesech, jako je buněčná adheze, ukládání elektrické energie a buněčná signalizace, a slouží jako připojovací povrch pro několik extracelulárních struktur, jako je buněčná stěna, glykokalyx a cytoskelet.

V cytoplazmě buňky je mnoho biomolekul, jako jsou proteiny a nukleové kyseliny. [46] Kromě biomolekul mají eukaryotické buňky specializované struktury nazývané organely, které mají vlastní lipidové dvojvrstvy nebo jsou prostorovými jednotkami. Tyto organely zahrnují buněčné jádro, které obsahuje genetickou informaci buňky, nebo mitochondrie, které generují adenosintrifosfát (ATP) k napájení buněčných procesů. Při syntéze a balení proteinů hrají roli další organely, jako endoplazmatické retikulum a Golgiho aparát. Biomolekuly, jako jsou proteiny, mohou pohltit lysozomy, další specializovaná organela. Rostlinné buňky mají další organely, které je odlišují od živočišných buněk, jako je buněčná stěna, chloroplasty a vakuola.

Metabolismus

Všechny buňky potřebují energii k udržení buněčných procesů. Energie je schopnost vykonávat práci, kterou lze v termodynamice vypočítat pomocí Gibbsovy volné energie. Podle prvního termodynamického zákona je energie zachována, tj. Nemůže být vytvořena ani zničena. Chemické reakce v buňce tedy nevytvářejí novou energii, ale jsou místo toho zapojeny do transformace a přenosu energie. [47] Nicméně všechny energetické přenosy vedou k určité ztrátě využitelné energie, což zvyšuje entropii (neboli stav nepořádku), jak uvádí druhý termodynamický zákon. V důsledku toho živé organismy, jako jsou buňky, vyžadují nepřetržitý přísun energie k udržení nízkého stavu entropie. V buňkách lze energii během redoxních (redukčně -oxidačních) reakcí přenášet jako elektrony, ukládat do kovalentních vazeb a generovat pohybem iontů (např. Vodíku, sodíku, draslíku) přes membránu.

Metabolismus je soubor život udržujících chemických reakcí v organismech.Tři hlavní účely metabolismu jsou: přeměna jídla na energii za účelem spuštění buněčných procesů, přeměna jídla/paliva na stavební bloky proteinů, lipidů, nukleových kyselin a některých sacharidů a eliminace metabolických odpadů. Tyto enzymem katalyzované reakce umožňují organizmům růst a reprodukovat se, udržovat své struktury a reagovat na své prostředí. Metabolické reakce mohou být kategorizovány jako katabolické - štěpení sloučenin (například štěpení glukózy na pyruvát buněčným dýcháním) nebo anabolické - vytváření (syntéza) sloučenin (jako jsou bílkoviny, sacharidy, lipidy a nukleové kyseliny). Katabolismus obvykle uvolňuje energii a anabolismus energii spotřebovává.

Chemické reakce metabolismu jsou organizovány do metabolických drah, ve kterých je jedna chemikálie transformována řadou kroků do jiné chemikálie, přičemž každý krok je usnadněn konkrétním enzymem. Enzymy jsou pro metabolismus klíčové, protože umožňují organismům řídit žádoucí reakce, které vyžadují energii, která se sama nevyskytuje, spojením se spontánními reakcemi, které uvolňují energii. Enzymy fungují jako katalyzátory - umožňují rychlejší reakci, aniž by byly spotřebovány - snížením množství aktivační energie potřebné k přeměně reagujících látek na produkty. Enzymy také umožňují regulaci rychlosti metabolické reakce, například v reakci na změny v prostředí buňky nebo na signály z jiných buněk.

Buněčné dýchání

Buněčné dýchání je soubor metabolických reakcí a procesů, které probíhají v buňkách organismů za účelem přeměny chemické energie ze živin na adenosintrifosfát (ATP) a poté uvolňují odpadní produkty. [48] ​​Reakce zapojené do dýchání jsou katabolické reakce, které rozkládají velké molekuly na menší a uvolňují energii, protože slabé vysokoenergetické vazby, zejména v molekulárním kyslíku, [49] jsou v produktech nahrazeny silnějšími vazbami. Dýchání je jedním z klíčových způsobů, jak buňka uvolňuje chemickou energii na palivo buněčné aktivity. Celková reakce probíhá v sérii biochemických kroků, z nichž některé jsou redoxní reakce. Přestože je buněčné dýchání technicky spalovací reakcí, zjevně se mu nepřipomíná, když k němu dochází v živé buňce kvůli pomalému, kontrolovanému uvolňování energie ze série reakcí.

Cukr ve formě glukózy je hlavní živinou používanou živočišnými a rostlinnými buňkami při dýchání. Buněčné dýchání zahrnující kyslík se nazývá aerobní dýchání, které má čtyři fáze: glykolýzu, cyklus kyseliny citrónové (nebo Krebsův cyklus), elektronový transportní řetězec a oxidační fosforylaci. [50] Glykolýza je metabolický proces, ke kterému dochází v cytoplazmě, kdy je glukóza přeměněna na dva pyruváty, přičemž se současně produkují dvě čisté molekuly ATP. [50] Každý pyruvát je poté oxidován na acetyl-CoA komplexem pyruvátdehydrogenázy, který také generuje NADH a oxid uhličitý. Acetyl-Coa vstupuje do cyklu kyseliny citrónové, který se odehrává uvnitř mitochondriální matrice. Na konci cyklu je celkový výtěžek z 1 glukózy (nebo 2 pyruvátů) 6 NADH, 2 FADH2a 2 molekuly ATP. Nakonec je dalším stupněm oxidační fosforylace, která se v eukaryotech vyskytuje v mitochondriálních cristae. Oxidační fosforylace zahrnuje elektronový transportní řetězec, což je řada čtyř proteinových komplexů, které přenášejí elektrony z jednoho komplexu do druhého, čímž uvolňují energii z NADH a FADH2 který je spojen s čerpáním protonů (vodíkových iontů) přes vnitřní mitochondriální membránu (chemiosmóza), která generuje protonovou hybnou sílu. [50] Energie z protonové hybné síly pohání enzym ATP syntázu k syntéze více ATP fosforylací ADP. Přenos elektronů končí tím, že molekulárním kyslíkem je konečný akceptor elektronů.

Pokud by nebyl přítomen kyslík, pyruvát by nebyl metabolizován buněčným dýcháním, ale prošel procesem fermentace. Pyruvát není transportován do mitochondrií, ale zůstává v cytoplazmě, kde je přeměněn na odpadní produkty, které mohou být z buňky odstraněny. To slouží účelu oxidace nosičů elektronů, aby mohly znovu provést glykolýzu a odstranění přebytečného pyruvátu. Fermentace oxiduje NADH na NAD +, takže může být znovu použita v glykolýze. V nepřítomnosti kyslíku fermentace brání hromadění NADH v cytoplazmě a poskytuje NAD + pro glykolýzu. Tento odpadní produkt se liší v závislosti na organismu. V kosterních svalech je odpadním produktem kyselina mléčná. Tento typ kvašení se nazývá fermentace kyseliny mléčné. Při namáhavém cvičení, kdy energetické nároky překračují zásoby energie, nemůže dýchací řetězec zpracovat všechny atomy vodíku spojené NADH. Během anaerobní glykolýzy se NAD + regeneruje, když se páry vodíku spojí s pyruvátem za vzniku laktátu. Tvorba laktátu je katalyzována laktátdehydrogenázou v reverzibilní reakci. Laktát lze také použít jako nepřímý prekurzor jaterního glykogenu. Během obnovy, když je k dispozici kyslík, se NAD + váže na vodík z laktátu za vzniku ATP. V kvasnicích jsou odpadními produkty ethanol a oxid uhličitý. Tento typ kvašení je známý jako alkoholové nebo ethanolové kvašení. ATP generovaný v tomto procesu je vyroben fosforylací na úrovni substrátu, která nevyžaduje kyslík.

Fotosyntéza

Fotosyntéza je proces, který rostliny a jiné organismy používají k přeměně světelné energie na chemickou energii, která může být později uvolněna k podpoře metabolických aktivit organismu prostřednictvím buněčného dýchání. Tato chemická energie je uložena v molekulách uhlohydrátů, jako jsou cukry, které jsou syntetizovány z oxidu uhličitého a vody. [51] [52] [53] Ve většině případů se kyslík uvolňuje také jako odpadní produkt. Většina rostlin, řas a sinic provádí fotosyntézu, která je z velké části zodpovědná za produkci a udržování obsahu kyslíku v zemské atmosféře a dodává většinu energie potřebné pro život na Zemi. [54]

Fotosyntéza má čtyři fáze: absorpci světla, transport elektronů, syntézu ATP a fixaci uhlíku. [50] Absorpce světla je počátečním krokem fotosyntézy, kdy je světelná energie absorbována chlorofylovými pigmenty připojenými k proteinům v tylakoidních membránách. Absorbovaná světelná energie se používá k odstranění elektronů z donoru (vody) na akceptor primárních elektronů, chinon označovaný jako Q. Ve druhém stupni se elektrony pohybují od akceptoru primárních elektronů chinonu přes sérii nosičů elektronů, dokud nedosáhnou konečný akceptor elektronů, což je obvykle oxidovaná forma NADP +, která se redukuje na NADPH, což je proces, který probíhá v proteinovém komplexu nazývaném fotosystém I (PSI). Transport elektronů je spojen s pohybem protonů (nebo vodíku) ze stromatu na thylakoidní membránu, která vytváří gradient pH přes membránu, protože vodík se v lumenu koncentruje více než ve stromatu. To je analogické s protonovou hybnou silou generovanou přes vnitřní mitochondriální membránu při aerobním dýchání. [50]

Během třetí fáze fotosyntézy je pohyb protonů po jejich koncentračních gradientech z lumenu thylakoidů do stromatu prostřednictvím ATP syntázy spojen se syntézou ATP stejnou ATP syntázou. [50] NADPH a ATP generované reakcemi závislými na světle ve druhém, respektive třetím stupni, poskytují energii a elektrony, které pohání syntézu glukózy fixací atmosférického oxidu uhličitého na stávající organické sloučeniny uhlíku, jako je ribulóza bisfosfát ( RuBP) v sekvenci na světle nezávislých (nebo temných) reakcí nazývaných Calvinův cyklus. [55]

Buněčná signalizace

Buněčná komunikace (nebo signalizace) je schopnost buněk přijímat, zpracovávat a vysílat signály svým okolím i sebou samým. [56] [57] Signály mohou být nechemické, jako jsou světlo, elektrické impulsy a teplo, nebo chemické signály (nebo ligandy), které interagují s receptory, které lze nalézt vložené v buněčné membráně jiné buňky nebo umístěné hluboko uvnitř buňka. [58] [57] Obecně existují čtyři typy chemických signálů: autokrinní, parakrinní, juxtacrinní a hormony. [58] Při autokrinní signalizaci ligand ovlivňuje stejnou buňku, která ji uvolňuje. Nádorové buňky se například mohou nekontrolovaně reprodukovat, protože uvolňují signály, které iniciují jejich vlastní dělení. Při parakrinní signalizaci ligand difunduje do blízkých buněk a ovlivňuje je. Například mozkové buňky nazývané neurony uvolňují ligandy zvané neurotransmitery, které difundují přes synaptickou štěrbinu a vážou se s receptorem na sousední buňce, jako je jiný neuron nebo svalová buňka. Při juxtakrinní signalizaci existuje přímý kontakt mezi signalizačními a reagujícími buňkami. Nakonec jsou hormony ligandy, které cestují oběhovými systémy zvířat nebo cévními systémy rostlin, aby dosáhly svých cílových buněk. Jakmile se ligand naváže na receptor, může ovlivnit chování jiné buňky v závislosti na typu receptoru. Například neurotransmitery, které se vážou na inotropní receptor, mohou změnit excitabilitu cílové buňky. Mezi další typy receptorů patří receptory proteinové kinázy (např. Receptor pro hormonální inzulín) a receptory spřažené s G proteinem. Aktivace receptorů spojených s G proteinem může iniciovat kaskády druhého posla. Proces, při kterém se chemický nebo fyzikální signál přenáší buňkou jako řada molekulárních dějů, se nazývá signální transdukce

Buněčný cyklus

Buněčný cyklus je série událostí, které se odehrávají v buňce a způsobují její rozdělení na dvě dceřiné buňky. Tyto události zahrnují duplikaci její DNA a některých jejích organel a následné rozdělení její cytoplazmy na dvě dceřiné buňky v procesu zvaném buněčné dělení. [59] V eukaryotech (tj. Živočišných, rostlinných, houbových a protistických buňkách) existují dva odlišné typy buněčného dělení: mitóza a meióza. [60] Mitóza je součástí buněčného cyklu, ve kterém jsou replikované chromozomy rozděleny do dvou nových jader. Buněčné dělení vede ke vzniku geneticky identických buněk, ve kterých je zachován celkový počet chromozomů. Mitóze (dělení jádra) obecně předchází fáze S mezifáze (během níž se replikuje DNA) a často následuje telofáze a cytokineze, která dělí cytoplazmu, organely a buněčnou membránu jedné buňky na dvě nové buňky obsahující zhruba stejné podíly těchto buněčných složek. Různá stadia mitózy společně definují mitotickou fázi cyklu zvířecích buněk - rozdělení mateřské buňky na dvě geneticky identické dceřiné buňky. [61] Buněčný cyklus je životně důležitý proces, při kterém se z jednobuněčného oplodněného vajíčka vyvine zralý organismus, a také proces, při kterém se obnovují vlasy, kůže, krvinky a některé vnitřní orgány. Po buněčném dělení začíná každá z dceřiných buněk interfázi nového cyklu. Na rozdíl od mitózy vede meióza ke čtyřem haploidním dceřiným buňkám tím, že podstoupí jedno kolo replikace DNA následované dvěma divizemi. [62] Homologní chromozomy jsou odděleny v první divizi (meióza I) a sesterské chromatidy jsou odděleny ve druhé divizi (meióza II). Oba tyto cykly dělení buněk se používají v procesu sexuální reprodukce v určitém okamžiku jejich životního cyklu. Předpokládá se, že oba jsou přítomni v posledním eukaryotickém společném předkovi.

Prokaryoty (tj. Archea a bakterie) mohou také podstoupit buněčné dělení (nebo binární štěpení). Na rozdíl od procesů mitózy a meiózy u eukaryot probíhá binární štěpení u prokaryot bez toho, aby se na buňce vytvořil vřetenový aparát. Před binárním štěpením je DNA v bakterii pevně stočená. Poté, co se odvíjí a duplikuje, je přitažen k odděleným pólům bakterie, protože zvyšuje velikost, aby se připravil na rozdělení. Růst nové buněčné stěny začíná oddělovat bakterii (spuštěno polymerací FtsZ a tvorbou „Z-kroužku“) [63] Nová buněčná stěna (přepážka) se plně rozvíjí, což má za následek úplné rozdělení bakterie. Nové dceřiné buňky mají pevně stočené tyčinky DNA, ribozomy a plazmidy.

Genetika

Dědictví

Genetika je vědecká studie dědičnosti. [64] [65] [66] Mendelovská dědičnost je konkrétně proces, při kterém jsou geny a vlastnosti předávány z rodičů na potomky. [31] Formuloval ji Gregor Mendel na základě jeho práce s rostlinami hrachu v polovině devatenáctého století. Mendel stanovil několik principů dědičnosti. První je, že genetické vlastnosti, které se nyní nazývají alely, jsou diskrétní a mají alternativní formy (např. Fialová vs. bílá nebo vysoká vs. trpasličí), každá zděděná po jednom ze dvou rodičů. Na základě jeho zákona dominance a uniformity, který říká, že některé alely jsou dominantní, zatímco jiné jsou recesivní, organismus s alespoň jednou dominantní alelou zobrazí fenotyp této dominantní alely. [67] Výjimky z tohoto pravidla zahrnují penetraci a expresivitu. [31] Mendel poznamenal, že během tvorby gamet se alely pro každý gen od sebe navzájem oddělují, takže každá gameta nese pouze jednu alelu pro každý gen, což stanoví jeho zákon segregace. Heterozygotní jedinci produkují gamety se stejnou frekvencí dvou alel. Nakonec Mendel formuloval zákon nezávislého sortimentu, který uvádí, že geny různých znaků se mohou při tvorbě gamet nezávisle segregovat, tj. Geny jsou bez vazby. Výjimka z tohoto pravidla by zahrnovala rysy, které jsou spojeny se sexem. Testovací křížení lze provést za účelem experimentálního určení základního genotypu organismu s dominantním fenotypem. [68] K předpovědi výsledků testovacího kříže lze použít čtverec Punnett. Chromozomová teorie dědičnosti, která uvádí, že geny se nacházejí na chromozomech, byla podpořena experimenty Thomase Morganse s ovocnými muškami, které u tohoto hmyzu stanovily pohlavní spojení mezi barvou očí a sexem. [69] U lidí a jiných savců (např. Psů) není proveditelné ani praktické provádět křížové experimenty. Místo toho se místo toho používají rodokmeny, což jsou genetické reprezentace rodokmenů [70], ke sledování dědičnosti konkrétního znaku nebo choroby prostřednictvím více generací. [71]

Kyselina deoxyribonukleová (DNA) je molekula složená ze dvou polynukleotidových řetězců, které se vinou kolem sebe a vytvářejí dvojitou šroubovici nesoucí genetickou dědičnou informaci. Dvě vlákna DNA jsou známá jako polynukleotidy, protože jsou složena z monomerů nazývaných nukleotidy. [72] [73] Každý nukleotid se skládá z jedné ze čtyř dusíkatých bází (cytosin [C], guanin [G], adenin [A] nebo thymin [T]), cukru zvaného deoxyribóza a fosfátové skupiny. Nukleotidy jsou navzájem spojeny v řetězci kovalentními vazbami mezi cukrem jednoho nukleotidu a fosfátem druhého, což má za následek střídání páteře cukr-fosfát. Právě sekvence těchto čtyř bází podél páteře kóduje genetickou informaci. Báze dvou polynukleotidových vláken jsou spojeny dohromady vodíkovými vazbami, podle pravidel párování bází (A s T a C s G), za vzniku dvouvláknové DNA. Báze jsou rozděleny do dvou skupin: pyrimidiny a puriny. V DNA jsou pyrimidiny tymin a cytosin, zatímco puriny jsou adenin a guanin. Dvě vlákna DNA běží navzájem v opačných směrech a jsou tedy antiparalelní. DNA se replikuje, jakmile se dvě vlákna oddělí.

Gen je jednotka dědičnosti, která odpovídá oblasti DNA, která specifickými způsoby ovlivňuje formu nebo funkci organismu. DNA se nachází jako lineární chromozomy v eukaryotech a kruhové chromozomy v prokaryotech. Chromozom je organizovaná struktura skládající se z DNA a histonů. Soubor chromozomů v buňce a jakékoli další dědičné informace nalezené v mitochondriích, chloroplastech nebo jiných místech jsou souhrnně označovány jako genom buňky. V eukaryotech je genomová DNA lokalizována v buněčném jádru nebo s malým množstvím v mitochondriích a chloroplastech. [74] U prokaryot je DNA držena v těle nepravidelného tvaru v cytoplazmě nazývané nukleoid. [75] Genetická informace v genomu je držena v genech a úplné shromáždění těchto informací v organismu se nazývá jeho genotyp. [76] Geny kódují informace potřebné buňkami pro syntézu proteinů, které zase hrají ústřední roli při ovlivňování konečného fenotypu organismu.

Genový výraz

Genová exprese je proces, kterým se informace z genu používají při syntéze funkčního genového produktu, který mu umožňuje produkovat konečné produkty, protein nebo nekódující RNA a v konečném důsledku ovlivňovat fenotyp. Tento proces je shrnut v centrálním dogmatu molekulární biologie, který poprvé formuloval Francis Crick v roce 1958. [77] [78] [79] Genová exprese je nejzákladnější úrovní, na které genotyp dává vznik fenotypu, tj. Pozorovatelnému znaku. Genetická informace uložená v DNA představuje genotyp, zatímco fenotyp je výsledkem syntézy proteinů, které řídí strukturu a vývoj organismu, nebo které působí jako enzymy katalyzující specifické metabolické cesty. Velká část DNA (např.> 98% u lidí) je nekódující, což znamená, že tyto sekce neslouží jako vzory pro proteinové sekvence. Messengerová RNA (mRNA) vlákna se vytvářejí pomocí řetězců DNA jako templátu v procesu zvaném transkripce, kde se báze DNA vyměňují za své odpovídající báze s výjimkou případu tyminu (T), za který RNA nahrazuje uracil (U). [80] Pod genetickým kódem tato vlákna mRNA specifikují sekvenci aminokyselin v proteinech v procesu zvaném translace, ke kterému dochází v ribozomech. Tento proces využívá celý život - eukaryoty (včetně mnohobuněčných organismů), prokaryoty (bakterie a archea) a využívají jej viry - k vytvoření makromolekulárního aparátu pro život. Genové produkty jsou často proteiny, ale v genech nekódujících proteiny, jako je transferová RNA (tRNA) a malá jaderná RNA (snRNA), je produkt funkční nekódující RNA. [81] [82] Všechny kroky v procesu genové exprese lze regulovat, včetně transkripce, sestřihu RNA, translace a posttranslační modifikace proteinu. Regulace genové exprese poskytuje kontrolu nad načasováním, umístěním a množstvím daného genového produktu (proteinu nebo ncRNA) přítomného v buňce a může mít hluboký účinek na buněčnou strukturu a funkci.

Genomy

Genom je kompletní sada DNA organismu, včetně všech jeho genů. [83] Sekvenování a analýza genomů lze provádět pomocí vysoce výkonného sekvenování DNA a bioinformatiky za účelem shromáždění a analýzy funkce a struktury celých genomů. [84] [85] [86] Mnoho genů kóduje více než jeden protein, přičemž posttranslační modifikace zvyšují diverzitu proteinů v buňce.Proteom buňky je celá sada proteinů exprimovaných jejím genomem. [87] Genomy prokaryot jsou malé, kompaktní a různorodé. Naproti tomu genomy eukaryot jsou větší a složitější, například mají více regulačních sekvencí a velká část jeho genomu je tvořena nekódujícími sekvencemi DNA pro funkční RNA (rRNA, tRNA a mRNA) nebo regulační sekvence. Byly sekvenovány genomy různých modelových organismů, jako jsou arabidopsis, ovocné mušky, myši, nematody a kvasinky. Sekvenování celého lidského genomu přineslo praktické aplikace, jako je otisk DNA, který lze použít pro testování otcovství a forenzní vyšetřování. V medicíně umožnilo sekvenování celého lidského genomu identifikační mutace, které způsobují nádory, a také geny způsobující specifickou genetickou poruchu. [87]

Biotechnologie

Biotechnologie je využití buněk nebo živých organismů k vývoji produktů pro lidi. [88] Obsahuje nástroje jako rekombinantní DNA, což jsou molekuly DNA vytvořené laboratorními metodami genetické rekombinace, jako je molekulární klonování, které spojují genetický materiál z více zdrojů a vytvářejí sekvence, které by se jinak v genomu nenašly. Mezi další nástroje patří použití genomových knihoven, DNA mikročipů, expresních vektorů, syntetické genomiky a editace genu CRISPR. [88] [89] Mnoho z těchto nástrojů má široké uplatnění, jako je tvorba lékařsky užitečných proteinů nebo zlepšení pěstování rostlin a chovu zvířat. [88] Například lidský inzulín byl prvním lékem, který byl vyroben pomocí technologie rekombinantní DNA. Jiné přístupy, jako je farmování, mohou produkovat velké množství lékařsky užitečných produktů pomocí geneticky modifikovaných organismů. [88]

Geny, vývoj a evoluce

Vývoj je proces, kterým mnohobuněčný organismus (rostlina nebo zvíře) prochází řadou změn, počínaje jedinou buňkou a nabývá různých forem, které jsou charakteristické pro jeho životní cyklus. [90] Existují čtyři klíčové procesy, které jsou základem vývoje: determinace, diferenciace, morfogeneze a růst. Determinace určuje vývojový osud buňky, který se během vývoje stává restriktivnějším. Diferenciace je proces, při kterém specializované buňky z méně specializovaných buněk, jako jsou kmenové buňky. [91] [92] Kmenové buňky jsou nediferencované nebo částečně diferencované buňky, které se mohou diferencovat na různé typy buněk a neomezeně se množit, aby produkovaly více stejných kmenových buněk. [93] Buněčná diferenciace dramaticky mění velikost, tvar, membránový potenciál buňky, metabolickou aktivitu a schopnost reagovat na signály, což je do značné míry dáno vysoce kontrolovanými modifikacemi genové exprese a epigenetiky. Až na několik výjimek buněčná diferenciace téměř nikdy nezahrnuje změnu samotné sekvence DNA. [94] Různé buňky tedy mohou mít velmi odlišné fyzikální vlastnosti, přestože mají stejný genom. Morfogeneze neboli vývoj tělesné formy je výsledkem prostorových rozdílů v genové expresi. [90] Zvláště organizace diferencovaných tkání do specifických struktur, jako jsou paže nebo křídla, která je známá jako tvorba vzorů, je řízena morfogeny, signálními molekulami, které se pohybují z jedné skupiny buněk do okolních buněk a vytvářejí morfogenní gradient, jak je popsáno podle modelu francouzské vlajky. Apoptóza nebo programovaná buněčná smrt se vyskytuje také během morfogeneze, jako je smrt buněk mezi číslicemi v embryonálním vývoji člověka, která uvolňuje jednotlivé prsty na rukou a nohou. Exprese genů transkripčního faktoru může určit umístění orgánu v rostlině a samotná kaskáda transkripčních faktorů může zajistit segmentaci těla v ovocné mušce. [90]

Malá část genů v genomu organismu, nazývaná vývojově-genetická sada nástrojů, řídí vývoj tohoto organismu. Tyto geny sady nástrojů jsou mezi phylou vysoce konzervované, což znamená, že jsou staré a velmi podobné v široce oddělených skupinách zvířat. Rozdíly v nasazení genů sady nástrojů ovlivňují tělesný plán a počet, identitu a strukturu částí těla. Mezi nejdůležitější geny sady nástrojů patří Hox geny. Geny Hox určují, kde ve vyvíjejícím se embryu nebo v larvě porostou opakující se části, jako například mnoho obratlů hadů. [95] Variace v sadě nástrojů mohly způsobit velkou část morfologické evoluce zvířat. Sada nástrojů může řídit vývoj dvěma způsoby. Gen sady nástrojů může být vyjádřen v jiném vzoru, jako když byl zobák Darwinova velkého pozemního pěnkavy zvětšen BMP gen, [96] nebo když hadi přišli o nohy jako Distal-less (Dlx) geny začaly být nedostatečně exprimovány nebo vůbec nebyly exprimovány v místech, kde si ostatní plazy nadále vytvářely končetiny. [97] Nebo gen sady nástrojů může získat novou funkci, jak je vidět na mnoha funkcích stejného genu, distálně-méně, který ovládá tak rozmanité struktury jako čelist u obratlovců, [98] [99] nohy a tykadla v ovocné mušce, [100] a vzor potu v motýlích křídlech. [101] Vzhledem k tomu, že malé změny v genech sady nástrojů mohou způsobit významné změny v tělesných strukturách, často umožnily konvergentní nebo paralelní evoluci.

Vývoj

Evoluční procesy

Ústředním organizačním konceptem v biologii je, že život se mění a vyvíjí prostřednictvím evoluce, což je změna dědičných charakteristik populací v průběhu následujících generací. [102] [103] Evoluce se nyní používá k vysvětlení velkých variací života na Zemi. Termín vývoj byl zaveden do vědeckého lexikonu Jeanem-Baptiste de Lamarckem v roce 1809 [104], a o padesát let později Charles Darwin a Alfred Russel Wallace formulovali evoluční teorii přirozeným výběrem. [105] [106] [107] [108] Podle této teorie se jednotlivci navzájem liší svými dědičnými rysy, což má za následek různé míry přežití a reprodukce. Výsledkem je, že vlastnosti, které jsou lépe přizpůsobeny svému prostředí, budou s větší pravděpodobností předávány dalším generacím. [109] [110] Darwin si nebyl vědom Mendelovy práce s dědičností, a tak přesný mechanismus dědičnosti, který je základem přirozeného výběru, nebyl dobře pochopen [111] až do počátku 20. století, kdy moderní syntéza sladila darwinovskou evoluci s klasickou genetikou, který vytvořil neodarwinistickou perspektivu evoluce přirozeným výběrem. [112] Tato perspektiva tvrdí, že k evoluci dochází, když dojde ke změnám alelových frekvencí v populaci křížených organismů. Při absenci jakéhokoli evolučního procesu působícího na velkou populaci náhodných páření zůstanou alelové frekvence napříč generacemi konstantní, jak popisuje Hardy -Weinbergův princip. [113]

Dalším procesem, který pohání evoluci, je genetický drift, což jsou náhodné fluktuace alelových frekvencí v populaci z jedné generace na druhou. [114] Pokud selektivní síly chybí nebo jsou relativně slabé, alelové frekvence jsou stejně pravděpodobné unášet nahoru nebo dolů v každé následující generaci, protože alely podléhají vzorkovací chybě. [115] Tento drift se zastaví, když se alela nakonec zafixuje, a to buď zmizením z populace, nebo nahrazením ostatních alel úplně. Genetický drift proto může eliminovat některé alely z populace pouze díky náhodě.

Speciace

Speciace je proces rozdělení jedné linie na dvě linie, které se vyvíjejí nezávisle na sobě. [116] Aby došlo ke spekulaci, musí existovat reprodukční izolace. [116] Izolace reprodukce může být důsledkem nekompatibility mezi geny, jak je popsáno v modelu Bateson – Dobzhansky – Muller. Reprodukční izolace má také tendenci se zvyšovat s genetickou divergencí. Speciace může nastat, když existují fyzické bariéry, které rozdělují rodový druh, proces známý jako alopatrická speciace. [116] Naproti tomu sympatická speciace se vyskytuje při absenci fyzických bariér.

Pre-zygotická izolace, jako jsou mechanické, časové, behaviorální, biotopové a gametické izolace, může zabránit hybridizaci různých druhů. [116] Podobně mohou post-zygotické izolace vést k výběru hybridizace proti nižší životaschopnosti hybridů nebo hybridní neplodnosti (např. Mezek). Hybridní zóny mohou vzniknout, pokud by došlo k neúplné reprodukční izolaci mezi dvěma blízce příbuznými druhy.

Fylogenie

Fylogeneze je evoluční historie konkrétní skupiny organismů nebo jejich genů. [117] Fylogenezi lze znázornit pomocí fylogenetického stromu, což je diagram ukazující linie původu mezi organismy nebo jejich geny. Každá čára nakreslená na časové ose stromu představuje linii potomků konkrétního druhu nebo populace. Když se linie rozdělí na dvě, je ve fylogenetickém stromu reprezentována jako uzel (nebo rozštěpení). Čím více rozdělení v průběhu času bude, tím více větví bude na stromě, přičemž společný předek všech organismů v tomto stromu bude představován kořenem tohoto stromu. Fylogenetické stromy mohou zobrazovat evoluční historii všech forem života, hlavní evoluční skupinu (např. Hmyz) nebo ještě menší skupinu blízce příbuzných druhů. Ve stromu je jakákoli skupina druhů označená jménem taxonem (např. Lidé, primáti, savci nebo obratlovci) a taxonem, který tvoří všichni jeho evoluční potomci, je clade. Blízce příbuzné druhy jsou označovány jako sesterské druhy a blízce příbuzné klady jsou sesterské klady.

Fylogenetické stromy jsou základem pro srovnávání a seskupování různých druhů. [117] Různé druhy, které sdílejí rys zděděný od společného předka, jsou popsány jako druhy homologní. Homologními rysy mohou být jakékoli dědičné vlastnosti, jako je sekvence DNA, proteinové struktury, anatomické rysy a vzorce chování. Páteř je příkladem homologního rysu sdíleného všemi obratlovci. Znaky, které mají podobnou formu nebo funkci, ale nebyly odvozeny od společného předka, jsou popsány jako analogické rysy. Fylogenie lze rekonstruovat pro skupinu organismů primárního zájmu, které se nazývají ingroup. Druh nebo skupina, která je úzce spřízněna se skupinou, ale je fylogeneticky mimo ni, se nazývá outgroup, která slouží jako referenční bod ve stromu. Kořen stromu se nachází mezi ingroup a outgroup. [117] Při rekonstrukci fylogenetických stromů lze generovat více stromů s různou evoluční historií. Na základě principu Parsimony (nebo Occamova břitva) je oblíbeným stromem strom s nejmenšími evolučními změnami, které je třeba předpokládat u všech vlastností ve všech skupinách. Výpočetní algoritmy lze použít k určení, jak se strom mohl vyvinout na základě důkazů. [117]

Fylogeneze poskytuje základ biologické klasifikace, která je založena na lineánské taxonomii, kterou vyvinul Carl Linnaeus v 18. století. [117] Tento klasifikační systém je založen na hodnostech, přičemž nejvyšší hodností je doména následovaná královstvím, kmenem, třídou, řádem, rodinou, rodem a druhem. [117] Všechny živé organismy lze zařadit do jedné ze tří domén: bakterie Archaea (původně Archaebacteria) (původně eubacteria) nebo eukarya (zahrnuje protist, houby, rostliny a říše zvířat). [118] Ke klasifikaci různých druhů se používá binomická nomenklatura. Na základě tohoto systému je každému druhu přidělena dvě jména, jedno pro svůj rod a druhé pro svůj druh. [117] Například lidé jsou Homo sapiens, s Homo být rodem a sapiens být druhem. Podle konvence jsou vědecká jména organismů kurzívou, přičemž velké písmeno je pouze v prvním písmenu rodu. [119] [120]

Historie života

Historie života na Zemi sleduje procesy, kterými se organismy vyvinuly od nejranějšího vzniku života až po současnost. Země vznikla asi před 4,5 miliardami let a veškerý život na Zemi, živý i zaniklý, pocházel z posledního univerzálního společného předka, který žil asi před 3,5 miliardami let. [121] [122] Podobnosti mezi všemi známými dnešními druhy naznačují, že se odlišily v procesu evoluce od svého společného předka. [123] Biologové považují všudypřítomnost genetického kódu za důkaz univerzálního společného původu pro všechny bakterie, archea a eukaryoty. [124] [10] [125] [126]

Mikrobální rohože koexistujících bakterií a archea byly dominantní formou života v rané archeanské době a předpokládá se, že v tomto prostředí došlo k mnoha významným krokům v rané evoluci. [127] Nejstarší důkazy o eukaryotech pocházejí z doby před 1,85 miliardami let, [128] [129], a přestože mohly být přítomny již dříve, jejich diverzifikace se zrychlila, když začali ve svém metabolismu využívat kyslík. Později, zhruba před 1,7 miliardami let, se začaly objevovat mnohobuněčné organismy, přičemž diferencované buňky vykonávaly specializované funkce. [130]

Mnohobuněčné suchozemské rostliny podobné řasám se datují dokonce přibližně před 1 miliardou let [131], ačkoli důkazy naznačují, že mikroorganismy tvořily nejstarší suchozemské ekosystémy, a to nejméně před 2,7 miliardami let. [132] Předpokládá se, že mikroorganismy vydláždily cestu pro vznik suchozemských rostlin v období ordoviku. Pozemní rostliny byly tak úspěšné, že se předpokládá, že přispěly k události zániku pozdního devonu. [133]

Ediacara biota se objevuje v období Ediacaranu, [134] zatímco obratlovci spolu s většinou ostatních moderních fyl vznikli asi před 525 miliony let během kambrijského výbuchu. [135] V období Perm dominovaly zemi synapsidy, včetně předchůdců savců, [136], ale většina této skupiny vyhynula při události zániku Perm - Triasu před 252 miliony let. [137] Během obnovy z této katastrofy se archosauři stali nejhojnějším suchozemským obratlovcům [138] jedna skupina archosaurů, dinosauři, dominovala v období jury a křídy. [139] Po události vymírání křídou a paleogenem před 66 miliony let, která zabila neptačí dinosaury, [140] savci rychle rostli ve velikosti a rozmanitosti. [141] Takové hromadné vymírání mohlo urychlit evoluci poskytnutím příležitostí pro diverzifikaci nových skupin organismů. [142]

Rozmanitost

Bakterie a Archaea

Bakterie jsou typem buňky, která tvoří velkou doménu prokaryotických mikroorganismů. Bakterie mají obvykle několik mikrometrů na délku a mají řadu tvarů, od koulí po tyče a spirály. Bakterie patřily mezi první formy života, které se na Zemi objevily, a jsou přítomny na většině jeho stanovišť. Bakterie obývají půdu, vodu, kyselé horké prameny, radioaktivní odpad [143] a hlubokou biosféru zemské kůry. Bakterie také žijí v symbiotických a parazitických vztazích s rostlinami a zvířaty. Většina bakterií nebyla charakterizována a pouze asi 27 procent bakteriální fyly má druhy, které lze pěstovat v laboratoři. [144]

Archaea tvoří další doménu prokaryotických buněk a byly původně klasifikovány jako bakterie, které dostaly název archaebacteria (v království Archaebacteria), což je termín, který již nebyl používán. [145] Archeální buňky mají jedinečné vlastnosti, které je oddělují od ostatních dvou domén, bakterií a eukaryot. Archaea se dále dělí na více uznávaných phyla. Archaea a bakterie mají obecně podobnou velikost a tvar, ačkoli několik archaea má velmi odlišné tvary, jako jsou ploché a čtvercové buňky Haloquadratum walsbyi. [146] Navzdory této morfologické podobnosti s bakteriemi má archaea geny a několik metabolických cest, které jsou více blízké eukaryotům, zejména pro enzymy zapojené do transkripce a translace. Jiné aspekty archaeální biochemie jsou jedinečné, například jejich závislost na etherových lipidech v jejich buněčných membránách, [147] včetně archeolů. Archaea využívá více zdrojů energie než eukaryoty: ty sahají od organických sloučenin, jako jsou cukry, až po čpavek, kovové ionty nebo dokonce plynný vodík. Soli tolerantní archaea (dále jen Haloarchaea) využívají sluneční světlo jako zdroj energie a jiné druhy archaea fixují uhlík, ale na rozdíl od rostlin a sinic žádný známý druh archaea nedělá obojí. Archaea se reprodukuje asexuálně binárním štěpením, fragmentací nebo pučením na rozdíl od bakterií, žádné známé druhy Archaea netvoří endospory.

Prvními pozorovanými archeami byli extremofilové, kteří žili v extrémních prostředích, jako jsou horké prameny a solná jezera bez dalších organismů. Vylepšené nástroje molekulární detekce vedly k objevu archea v téměř každém prostředí, včetně půdy, oceánů a bažin. Archaea je obzvláště početná v oceánech a archea v planktonu může být jednou z nejhojnějších skupin organismů na planetě.

Archaea jsou hlavní součástí života Země. Jsou součástí mikrobioty všech organismů. V lidském mikrobiomu jsou důležité ve střevech, ústech a na kůži. [148] Jejich morfologická, metabolická a geografická rozmanitost jim umožňuje hrát více ekologických rolí: například fixace uhlíku, cyklování dusíku v cyklování organických sloučenin a udržování mikrobiálních symbiotických a syntrofických komunit. [149]

Protisté

Protisté jsou eukaryotický organismus, který není zvířetem, rostlinou ani houbou. I když je pravděpodobné, že protisté sdílejí společného předka (poslední společný eukaryotický předek), [150] vyloučení jiných eukaryot znamená, že protisté netvoří přirozenou skupinu nebo klad. [a] Takže někteří protisté mohou být více příbuzní zvířatům, rostlinám nebo houbám než ostatním prvokům, nicméně jako řasy, bezobratlí nebo prvoki se toto seskupení používá pro pohodlí. [151]

Taxonomie protistů se stále mění. Novější klasifikace se pokoušejí představit monofyletické skupiny na základě informací o morfologické (zejména ultrastrukturální), [152] [153] [154] biochemické (chemotaxonomii) [155] [156] a sekvenci DNA (molekulární výzkum). [157] [158] Protože protisty jako celek jsou paraphyletické, nové systémy se často rozpadají nebo opouštějí království, místo toho zacházejí s protistickými skupinami jako se samostatnými liniemi eukaryot.

Rozmanitost rostlin

Rostliny jsou převážně mnohobuněčné organismy, převážně fotosyntetické eukaryoty království Plantae. Botanika je studium života rostlin, které by vyloučilo houby a některé řasy. Botanici studovali přibližně 410 000 druhů suchozemských rostlin, z nichž asi 391 000 druhů tvoří cévnaté rostliny (z toho přibližně 369 000 druhů kvetoucích rostlin) [159] a přibližně 20 000 mechorostů. [160]

Řasy jsou velká a různorodá skupina fotosyntetických eukaryotických organismů. Zahrnuté organismy se pohybují od jednobuněčných mikrořas, jako např Chlorella, Prototheca a rozsivky, do mnohobuněčných forem, jako je obří řasa, velká hnědá řasa.Většina z nich je vodní a autotrofní a postrádají mnoho odlišných typů buněk a tkání, jako jsou průduchy, xylem a floem, které se nacházejí v suchozemských rostlinách. Největší a nejsložitější mořské řasy se nazývají mořské řasy, zatímco nejsložitější sladkovodní formy jsou Charophyta.

Nevaskulární rostliny jsou rostliny bez cévního systému sestávající z xylemu a floému. Místo toho mohou mít jednodušší tkáně, které mají specializované funkce pro vnitřní transport vody. Cévnaté rostliny jsou naproti tomu velkou skupinou rostlin (asi 300 000 uznávaných známých druhů) [161], které jsou definovány jako suchozemské rostliny s lignifikovanými tkáněmi (xylem) pro vedení vody a minerálů v celé rostlině. [162] Mají také specializovanou nelignifikovanou tkáň (floém) na vedení produktů fotosyntézy. Mezi cévnaté rostliny patří klubmózy, přesličky, kapradiny, gymnospermy (včetně jehličnanů) a krytosemenné rostliny (kvetoucí rostliny).

Semenné rostliny (nebo spermatofyt) se skládají z pěti divizí, z nichž čtyři jsou seskupeny jako gymnospermy a jedna je krytosemenná. Gymnospermy zahrnují jehličnany, cykasy, Ginkgoa gnetofyty. Semena gymnospermu se vyvíjejí buď na povrchu šupin nebo listů, které jsou často upravovány tak, aby vytvářely šišky, nebo osamělé jako u tisu, Torreya, Ginkgo. [163] Angiospermy jsou nejrozmanitější skupinou suchozemských rostlin, mají 64 řádů, 416 čeledí, přibližně 13 000 známých rodů a 300 000 známých druhů. [161] Stejně jako gymnospermy jsou krytosemenné rostliny produkující semena. Liší se od gymnospermů tím, že mají vlastnosti, jako jsou květiny, endosperm uvnitř jejich semen, a produkce plodů, které semena obsahují.

Houby

Houby jsou eukaryotické organismy, které zahrnují mikroorganismy, jako jsou kvasinky a plísně, a také známější houby. Charakteristikou, která umisťuje houby do jiného království než rostliny, bakterie a některé protisty, je chitin v jejich buněčných stěnách. Houby, stejně jako zvířata, jsou heterotrofy, které získávají potravu absorbováním rozpuštěných molekul, obvykle vylučováním trávicích enzymů do svého prostředí. Houby nefotosyntetizují. Růst je jejich mobilním prostředkem, kromě spor (z nichž některé jsou bičíkovité), které mohou cestovat vzduchem nebo vodou. Houby jsou hlavními rozkládači v ekologických systémech. Tyto a další rozdíly zařazují houby do jediné skupiny příbuzných organismů, pojmenované jako Eumycota (pravé houby nebo Eumycetes), které sdílejí společného předka (od a monofyletická skupina). Tato skupina hub je odlišná od strukturálně podobných myxomycetů (slizové formy) a oomycetů (vodní plísně).

Většina hub je nenápadná kvůli malé velikosti jejich struktur a jejich záhadnému životnímu stylu v půdě nebo v mrtvých hmotách. Houby zahrnují symbionty rostlin, zvířat nebo jiných hub a také parazity. Mohou být patrné při plodu, buď jako houby, nebo jako plísně. Houby hrají zásadní roli při rozkladu organické hmoty a mají zásadní roli v koloběhu živin a výměně v životním prostředí.

Království hub zahrnuje obrovskou rozmanitost taxonů s různými ekologiemi, strategiemi životního cyklu a morfologiemi od jednobuněčných vodních chytridů po velké houby. Málo se však ví o skutečné biologické rozmanitosti Kingdom Fungi, která byla odhadována na 2,2 milionu až 3,8 milionu druhů. [164] Z nich bylo popsáno pouze asi 148 000, [165] s více než 8 000 druhy, o nichž je známo, že jsou škodlivé pro rostliny, a nejméně 300, které mohou být patogenní pro člověka. [166]

Rozmanitost zvířat

Zvířata jsou mnohobuněčné eukaryotické organismy, které tvoří království Animalia. Až na výjimky zvířata konzumují organický materiál, dýchají kyslík, jsou schopna pohybu, mohou se sexuálně rozmnožovat a vyrůstají z duté sféry buněk, blastuly, během embryonálního vývoje. Bylo popsáno více než 1,5 milionu živých živočišných druhů - z toho asi 1 milion hmyzu - ale odhaduje se, že celkem existuje přes 7 milionů živočišných druhů. Mají složité interakce mezi sebou navzájem a se svým prostředím a vytvářejí složité potravinové sítě.

Houby, členové kmene Porifera, jsou bazální klon Metazoa (zvíře) jako sestra Diploblastů. [167] [168] [169] [170] [171] Jsou to mnohobuněčné organismy, které mají těla plná pórů a kanálů, které jimi umožňují cirkulovat vodu, skládající se z rosolovitého mesohylu vloženého mezi dvě tenké vrstvy buněk.

97%) živočišných druhů jsou bezobratlí [172], což jsou zvířata, která nemají ani nevyvinou páteř (běžně známá jako páteř nebo páteř), odvozený z notochordu. To zahrnuje všechna zvířata kromě subphylum Vertebrata. Mezi známé příklady bezobratlých patří členovci (hmyz, pavoukovci, korýši a myriapodi), měkkýši (chitoni, šneci, mlži, olihně a chobotnice), annelid (žížaly a pijavice) a cnidariáni (hydry, medúzy, mořské sasanky a korály) ). Mnoho taxonů bezobratlých má větší počet a rozmanitost druhů než celý subphylum Vertebrata. [173]

Naproti tomu obratlovci zahrnují všechny druhy zvířat v podčeledi Vertebrata (strunatci s páteři). Obratlovci představují drtivou většinu kmene Chordata, v současnosti je popsáno asi 69 963 druhů. [174] Obratlovci zahrnují takové skupiny jako ryby bez čelistí, obratlovci s čelistmi, jako jsou chrupavčité ryby (žraloci, rejnoci a krysy), kostnaté ryby, tetrapody jako obojživelníci, plazi, ptáci a savci.

Viry

Viry jsou submikroskopické infekční agens, které se replikují uvnitř živých buněk organismů. [175] Viry infikují všechny druhy forem života, od zvířat a rostlin až po mikroorganismy, včetně bakterií a archea. [176] [177] Podrobně bylo popsáno více než 6 000 druhů virů. [178] Viry se nacházejí téměř v každém ekosystému na Zemi a jsou nejpočetnějším typem biologické entity. [179] [180]

Když je hostitelská buňka infikována, je nucena rychle produkovat tisíce identických kopií původního viru. Když nejsou viry uvnitř infikované buňky nebo v procesu infikování buňky, existují ve formě nezávislých částic, popř viriony, sestávající z genetického materiálu (DNA nebo RNA), tzv. proteinového obalu kapsid, a v některých případech vnější obal lipidů. Tvary těchto virových částic sahají od jednoduchých šroubovicových a ikosahedrálních forem až po složitější struktury. Většina druhů virů má viriony příliš malé na to, aby je bylo možné vidět optickým mikroskopem, protože jsou setinové velikosti většiny bakterií.

Počátky virů v evoluční historii života jsou nejasné: některé se mohly vyvinout z plazmidů - kousků DNA, které se mohou pohybovat mezi buňkami - zatímco jiné se mohly vyvinout z bakterií. V evoluci jsou viry důležitým prostředkem horizontálního přenosu genů, který zvyšuje genetickou diverzitu způsobem analogickým se sexuální reprodukcí. [181] Protože viry mají některé, ale ne všechny vlastnosti života, byly popsány jako „organismy na pokraji života“, [182] a jako samoreplikátory. [183]

Viry se mohou šířit mnoha způsoby. Jedna přenosová cesta prochází choroboplodnými organismy známými jako vektory: například viry jsou často přenášeny z rostliny na rostlinu hmyzem, který se živí rostlinnou šťávou, například mšice a viry u zvířat může přenášet krev sající hmyz. Viry chřipky se šíří kašlem a kýcháním. Norovirus a rotavirus, běžné příčiny virové gastroenteritidy, se přenášejí fekálně-orální cestou, procházejí kontaktem z ruky do úst nebo v potravě nebo vodě. Virové infekce u zvířat vyvolávají imunitní odpověď, která obvykle eliminuje infikující virus. Imunitní odpovědi mohou také vyvolat vakcíny, které propůjčují uměle získanou imunitu vůči specifické virové infekci.

Forma a funkce rostliny

Rostlinné tělo

Rostlinné tělo se skládá z orgánů, které lze uspořádat do dvou hlavních orgánových systémů: kořenový systém a výhonkový systém. [184] Kořenový systém ukotví rostliny na místo. Kořeny samy nasávají vodu a minerály a uchovávají fotosyntetické produkty. Systém výhonků se skládá ze stonků, listů a květin. Stonky drží a orientují listy na slunce, což umožňuje listům provádět fotosyntézu. Květy jsou výhonky, které byly upraveny pro reprodukci. Výhonky se skládají z fytomerů, což jsou funkční jednotky, které se skládají z uzlu nesoucího jeden nebo více listů, internodu a jednoho nebo více pupenů.

Rostlinné tělo má dva základní vzorce (apikální - bazální a radiální osy), které byly vytvořeny během embryogeneze. [184] Buňky a tkáně jsou uspořádány podél apikálně-bazální osy od kořene po výhonek, zatímco tři tkáňové systémy (dermální, pozemní a cévní), které tvoří tělo rostliny, jsou uspořádány soustředně kolem její radiální osy. [184] Systém dermální tkáně tvoří epidermis (nebo vnější obal) rostliny, což je obvykle vrstva jedné buňky, která se skládá z buněk, které se diferencovaly do tří specializovaných struktur: průduchy pro výměnu plynu v listech, trichomy (nebo vlasy listů) ) pro ochranu před hmyzem a slunečním zářením a kořínky pro zvětšení povrchu a absorpci vody a živin. Mletá tkáň tvoří prakticky veškerou tkáň, která leží mezi dermální a cévní tkání ve výhoncích a kořenech. Skládá se ze tří typů buněk: buněk parenchymu, kolenchymu a sklerenchymu. Vaskulární tkáně se nakonec skládají ze dvou základních tkání: xylemu a floemu. Xylem se skládá ze dvou vodivých buněk nazývaných tracheidy a prvky nádoby, zatímco phloem se vyznačuje přítomností prvků sítové trubice a doprovodných buněk. [184]

Výživa a doprava rostlin

Stejně jako všechny ostatní organismy jsou rostliny primárně tvořeny vodou a dalšími molekulami obsahujícími prvky, které jsou pro život nezbytné. [185] Absence specifických živin (nebo základních prvků), z nichž mnohé byly identifikovány v hydroponických experimentech, může narušit růst a reprodukci rostlin. Většina rostlin je schopna tyto živiny získat z roztoků, které obklopují jejich kořeny v půdě. [185] Nepřetržité vyluhování a sklizeň plodin může půdu ochudit o její živiny, které lze obnovit použitím hnojiv. Masožravé rostliny, jako jsou mucholapky Venuše, jsou schopné získávat živiny trávením jiných členovců, zatímco parazitické rostliny, jako jsou jmelí, mohou parazitovat na jiných rostlinách kvůli vodě a živinám.

Rostliny potřebují vodu k vedení fotosyntézy, transportu rozpuštěných látek mezi orgány, ochlazování listů odpařováním a udržování vnitřních tlaků, které podporují jejich těla. [185] Voda je schopna difundovat dovnitř a ven z rostlinných buněk osmózou. Směr pohybu vody přes semipermeabilní membránu je určen vodním potenciálem přes tuto membránu. [185] Voda je schopná difundovat přes membránu kořenové buňky přes aquaporiny, zatímco rozpuštěné látky jsou transportovány přes membránu iontovými kanály a pumpami. V cévnatých rostlinách jsou voda a rozpuštěné látky schopny vstoupit do xylému, vaskulární tkáně, prostřednictvím apoplastu a symplastu. Jakmile jsou v xylemu, voda a minerály jsou distribuovány vzhůru transpirací z půdy do nadzemních částí rostliny. [162] [185] Naproti tomu floém, další vaskulární tkáň, distribuuje uhlohydráty (např. Sacharózu) a další rozpuštěné látky, jako jsou hormony, translokací ze zdroje (např. Zralého listu nebo kořene), ve kterém byly produkovány do dřezu (např. kořen, květ nebo vyvíjející se ovoce), ve kterém budou použity a uloženy. [185] Zdroje a propady si mohou role vyměnit, v závislosti na množství nahromaděných nebo mobilizovaných uhlohydrátů pro výživu jiných orgánů.

Vývoj rostlin

Vývoj rostlin je regulován podněty prostředí a vlastními receptory, hormony a genomem rostliny. [186] Mají však několik vlastností, které jim umožňují získat zdroje pro růst a reprodukci, jako jsou meristémy, tvorba post-embryonálních orgánů a diferenciální růst.

Vývoj začíná semenem, což je embryonální rostlina uzavřená v ochranném vnějším obalu. Většina semen rostlin obvykle spí, což je stav, při kterém je pozastavena normální aktivita semene. [186] Dormanství semen může trvat týdny, měsíce, roky a dokonce staletí. Dormance je přerušena, jakmile jsou podmínky příznivé pro růst, a semeno začne klíčit, což je proces nazývaný klíčení. Imbibice je prvním krokem při klíčení, kdy je semeno absorbováno vodou. Jakmile je voda absorbována, semeno prochází metabolickými změnami, kdy jsou aktivovány enzymy a syntetizována RNA a proteiny. Jakmile semeno vyklíčí, získá sacharidy, aminokyseliny a malé lipidy, které slouží jako stavební kameny pro jeho vývoj. Tyto monomery se získávají hydrolýzou škrobu, proteinů a lipidů, které jsou uloženy buď v kotyledonech nebo endospermu. Klíčení je dokončeno, jakmile se ze semenného obalu vynoří embryonální kořeny zvané radicle. V tomto okamžiku se vyvíjející se rostlině říká sazenice a její růst je regulován vlastními fotoreceptorovými proteiny a hormony. [186]

Na rozdíl od zvířat, u kterých je růst determinovaný, tj. Přestává, když je dosaženo dospělého stavu, je růst rostlin neurčitý, protože jde o otevřený proces, který by potenciálně mohl být celoživotní. [184] Rostliny rostou dvěma způsoby: primární a sekundární. V primárním růstu se tvoří a prodlužují výhonky a kořeny. Apikální meristém produkuje primární rostlinné tělo, které lze nalézt ve všech semenných rostlinách. Během sekundárního růstu se tloušťka rostliny zvyšuje, protože boční meristém produkuje sekundární rostlinné tělo, které lze nalézt v dřevnatých eudikotech, jako jsou stromy a keře. Monokoti neprocházejí sekundárním růstem. [184] Tělo rostliny je generováno hierarchií meristémů. Apikální meristémy v kořenových a výhonkových systémech dávají vznik primárním meristémům (protoderm, pozemní meristém a prokambium), z nichž následně vznikají tři tkáňové systémy (dermální, pozemní a cévní).

Reprodukce rostlin

Většina krytosemenných rostlin (nebo kvetoucích rostlin) se zabývá sexuální reprodukcí. [187] Jejich květy jsou orgány, které usnadňují reprodukci, obvykle tím, že poskytují mechanismus pro spojení spermatu s vejci. Květiny mohou usnadňovat dva druhy opylování: samoopylení a křížové opylení. K samoopylení dochází, když je pyl z prašníku uložen na stigmatu stejné květiny nebo jiné květiny na stejné rostlině. Křížové opylení je přenos pylu z prašníku jedné květiny na stigma jiné květiny na jiném jedinci stejného druhu. K samoopylení dochází v květech, kde tyčinka a plodnice zrají současně, a jsou umístěny tak, aby pyl mohl přistát na stigmatu květiny. Toto opylení nevyžaduje investici ze závodu na zajištění nektaru a pylu jako potravy pro opylovače. [188]

Reakce rostlin

Stejně jako zvířata produkují rostliny v jedné části těla hormony, které signalizují buňkám v jiné části, aby reagovaly. Zrání ovoce a ztráta listů v zimě jsou částečně řízeny výrobou plynu ethylenu v závodě. Stres způsobený ztrátou vody, změnami v chemii vzduchu nebo přeplněním jinými rostlinami může vést ke změnám ve způsobu fungování rostliny. Tyto změny mohou být ovlivněny genetickými, chemickými a fyzikálními faktory.

Aby rostliny fungovaly a přežily, produkují širokou škálu chemických sloučenin, které se nenacházejí v jiných organismech. Protože se nemohou pohybovat, musí se rostliny také chemicky bránit před býložravci, patogeny a konkurencí ostatních rostlin. Dělají to tak, že produkují toxiny a páchnoucí nebo zapáchající chemikálie. Jiné sloučeniny chrání rostliny před chorobami, umožňují přežití v období sucha a připravují rostliny na vegetační klid, zatímco jiné sloučeniny se používají k přilákání opylovačů nebo býložravců k šíření zralých semen.

Mnoho rostlinných orgánů obsahuje různé typy proteinů fotoreceptorů, z nichž každý reaguje velmi specificky na určité vlnové délky světla. [189] Proteiny fotoreceptoru přenášejí informace, například zda je den nebo noc, trvání dne, dostupná intenzita světla a zdroj světla. Výhonky obecně rostou směrem ke světlu, zatímco kořeny od něj rostou, reakce známé jako fototropismus, respektive skototropismus. Jsou způsobeny pigmenty citlivými na světlo, jako jsou fototropiny a fytochromy a rostlinný hormon auxin. [190] Mnoho kvetoucích rostlin kvete ve vhodnou dobu kvůli sloučeninám citlivým na světlo, které reagují na délku noci, což je jev známý jako fotoperiodismus.

Kromě světla mohou rostliny reagovat i na jiné druhy podnětů. Rostliny například mohou vycítit směr gravitace, aby se správně orientovaly. Mohou reagovat na mechanickou stimulaci. [191]

Forma a funkce zvířete

Zásady

Buňky v každém zvířecím těle jsou koupány v intersticiální tekutině, která tvoří prostředí buňky. Tuto tekutinu a všechny její vlastnosti (např. Teplotu, iontové složení) lze popsat jako vnitřní prostředí zvířete, které je v kontrastu s vnějším prostředím, které obklopuje vnější svět zvířete. [192] Zvířata lze klasifikovat buď jako regulátory, nebo jako konformery. Zvířata, jako jsou savci a ptáci, jsou regulátory, protože jsou schopni udržovat konstantní vnitřní prostředí, jako je tělesná teplota, přestože se jejich prostředí mění. Tato zvířata jsou také popisována jako homeotermy, protože vykazují termoregulaci udržováním konstantní vnitřní tělesné teploty. Naproti tomu zvířata, jako jsou ryby a žáby, jsou přizpůsobiví, protože přizpůsobují své vnitřní prostředí (např. Tělesnou teplotu) tak, aby odpovídala vnějšímu prostředí. Tato zvířata jsou také popisována jako poikilothermy nebo ektotermy, protože umožňují, aby se jejich tělesné teploty shodovaly s vnějším prostředím. Pokud jde o energii, regulace je nákladnější než konformita, protože zvíře rozšiřuje více energie, aby si udrželo konstantní vnitřní prostředí, jako je zvýšení jeho bazální metabolické rychlosti, což je rychlost spotřeby energie. [192] Podobně je homeotermie nákladnější než poikilotermie. Homeostáza je stabilita vnitřního prostředí zvířete, která je udržována smyčkami negativní zpětné vazby. [192] [193]

Velikost těla suchozemských zvířat se u různých druhů liší, ale jejich využití energie se nemění lineárně podle jejich velikosti. [192] Myši jsou například schopny spotřebovat třikrát více jídla než králíci v poměru k jejich hmotnosti, protože bazální rychlost metabolismu na jednotku hmotnosti u myší je vyšší než u králíků. [192] Fyzická aktivita může také zvýšit rychlost metabolismu zvířete. Když zvíře běží, jeho rychlost metabolismu se lineárně zvyšuje s rychlostí. [192] Vztah je však nelineární u zvířat, která plavou nebo létají. Když ryba plave rychleji, narazí na větší odolnost proti vodě, a tak se její metabolické rychlosti exponenciálně zvyšují.[192] Alternativně je vztah rychlosti letu a rychlosti metabolismu u ptáků ve tvaru U. [192] Při nízké rychlosti letu musí pták udržovat vysokou rychlost metabolismu, aby zůstal ve vzduchu. Jak zrychluje svůj let, jeho metabolická rychlost klesá pomocí vzduchu, který rychle proudí přes jeho křídla. Jak se však jeho rychlost ještě zvyšuje, jeho vysoké metabolické rychlosti opět stoupají kvůli zvýšenému úsilí spojenému s rychlými letovými rychlostmi. Bazální metabolické rychlosti lze měřit na základě rychlosti produkce tepla u zvířete.

Rovnováha vody a soli

Tělesné tekutiny zvířete mají tři vlastnosti: osmotický tlak, iontové složení a objem. [194] Osmotické tlaky určují směr difúze vody (neboli osmózy), která se pohybuje z oblasti, kde je osmotický tlak (celková koncentrace rozpuštěných látek) nízká, do oblasti, kde je osmotický tlak (celková koncentrace rozpuštěné látky) vysoký. Vodní živočichové jsou různí, pokud jde o složení tělních tekutin a prostředí. Například většina bezobratlých živočichů v oceánu má tělesné tekutiny, které jsou izosmotické s mořskou vodou. Naproti tomu oceánské kostnaté ryby mají tělesné tekutiny, které jsou hyposmotické pro mořskou vodu. A konečně, sladkovodní zvířata mají tělesné tekutiny, které jsou hyperosmotické na sladkou vodu. Typickými ionty, které lze nalézt v tělních tekutinách zvířete, jsou sodík, draslík, vápník a chlorid. Objem tělních tekutin lze regulovat vylučováním. Obratlovci mají ledviny, což jsou vylučovací orgány tvořené drobnými trubkovitými strukturami zvanými nefrony, které vytvářejí moč z krevní plazmy. Primární funkcí ledvin je regulovat složení a objem krevní plazmy selektivním odebíráním materiálu ze samotné krevní plazmy. Schopnost xerických zvířat, jako jsou klokaní krysy, minimalizovat ztrátu vody produkcí moči, která je 10–20krát koncentrovanější než jejich krevní plazma, jim umožňuje přizpůsobit se pouštnímu prostředí, které sráží velmi málo. [194]

Výživa a trávení

Zvířata jsou heterotrofní, protože se živí jinými živými organismy, aby získaly energii a organické sloučeniny. [195] Jsou schopni získat potravu třemi hlavními způsoby, například zaměřením viditelných potravinových předmětů, sběrem drobných potravinových částic nebo závislostí na mikrobech pro kritické potravinové potřeby. Množství energie uložené v potravinách lze kvantifikovat na základě množství tepla (měřeno v kaloriích nebo kilojoulech) emitovaného, ​​když je jídlo spáleno v přítomnosti kyslíku. Pokud by zvíře konzumovalo potravu, která obsahuje nadbytečné množství chemické energie, většinu této energie uloží ve formě lipidů pro budoucí použití a část této energie jako glykogen pro bezprostřednější využití (např. Pro splnění energetických potřeb mozku ). [195] Molekuly v potravinách jsou chemické stavební kameny, které jsou potřebné pro růst a vývoj. Tyto molekuly obsahují živiny, jako jsou uhlohydráty, tuky a bílkoviny. Důležité jsou také vitamíny a minerály (např. Vápník, hořčík, sodík a fosfor). Trávicí systém, který se obvykle skládá z tubulárního traktu, který se rozprostírá od úst k řitnímu otvoru, se podílí na rozkladu (nebo trávení) jídla na malé molekuly, když cestuje dolů peristalticky střevním lumenem krátce po požití. Tyto malé molekuly jídla jsou poté absorbovány do krve z lumen, kde jsou poté distribuovány do zbytku těla jako stavební bloky (např. Aminokyseliny) nebo zdroje energie (např. Glukóza). [195]

Kromě svých zažívacích traktů mají obratlovci jako součást trávicí soustavy pomocné žlázy, jako jsou játra a slinivka břišní. [195] Zpracování potravy u těchto zvířat začíná v předním střevě, které zahrnuje ústa, jícen a žaludek. Mechanické trávení potravy začíná v ústech tím, že jícen slouží jako průchod pro jídlo do žaludku, kde je uložen a rozpadán (kyselinou žaludku) pro další zpracování. Při opuštění žaludku vstupuje potrava do středního střeva, což je první část střeva (nebo tenkého střeva u savců) a je hlavním místem trávení a vstřebávání. Potraviny, které se neabsorbují, se ukládají jako nestravitelný odpad (nebo výkaly) do zadního střeva, což je druhá část střeva (nebo tlustého střeva u savců). Zadní střevo poté dokončí reabsorpci potřebné vody a soli před odstraněním výkalů z konečníku. [195]

Dýchání

Dýchací systém se skládá ze specifických orgánů a struktur používaných k výměně plynů u zvířat a rostlin. Anatomie a fyziologie, které to způsobují, se velmi liší v závislosti na velikosti organismu, prostředí, ve kterém žije, a jeho evoluční historii. U suchozemských zvířat je respirační povrch internalizován jako výstelka plic. [196] K výměně plynu v plicích dochází v milionech malých vzduchových vaků u savců a plazů, kterým se říká alveoly, a u ptáků se jim říká atria. Tyto mikroskopické vzduchové vaky mají velmi bohaté zásobení krví, čímž přivádějí vzduch do těsného kontaktu s krví. [197] Tyto vzduchové vaky komunikují s vnějším prostředím pomocí systému dýchacích cest neboli dutých trubic, z nichž největší je průdušnice, která se uprostřed hrudníku větví do dvou hlavních průdušek. Ty vstupují do plic, kde se rozvětvují do postupně užších sekundárních a terciárních průdušek, které se větví do mnoha menších trubic, bronchiolů. U ptáků se bronchioly nazývají parabronchi. Jsou to bronchioly nebo parabronchi, které se obecně u savců otevírají do mikroskopických alveol a u ptáků síně. Vzduch musí být čerpán z okolního prostředí do alveol nebo síní procesem dýchání, který zahrnuje dýchací svaly.

Oběh

Oběhový systém se obvykle skládá ze svalové pumpy, jako je srdce, tekutiny (krve) a systému krevních cév, které ji dodávají. [198] [199] Jeho hlavní funkcí je transport krve a dalších látek do a z buněk (biologie) a tkání. Existují dva typy oběhových systémů: otevřené a uzavřené. V otevřených oběhových systémech krev opouští krevní cévy, protože cirkuluje v celém těle, zatímco v uzavřeném oběhovém systému je krev při krevním oběhu obsažena v cévách. Otevřené oběhové systémy lze pozorovat u bezobratlých živočichů, jako jsou členovci (např. Hmyz, pavouci a humři), zatímco uzavřené oběhové systémy lze nalézt u obratlovců, jako jsou ryby, obojživelníci a savci. Cirkulace u zvířat probíhá mezi dvěma typy tkání: systémovými tkáněmi a dýchacími (nebo plicními) orgány. [198] Systémové tkáně jsou všechny tkáně a orgány, které tvoří tělo zvířete jiné než jeho dýchací orgány. Systémové tkáně odebírají kyslík, ale přidávají oxid uhličitý do krve, zatímco dýchací orgány přijímají oxid uhličitý, ale přidávají kyslík do krve. [200] U ptáků a savců jsou systémové a plicní systémy propojeny v sérii.

V oběhovém systému je krev důležitá, protože je prostředkem, kterým se přepravuje kyslík, oxid uhličitý, živiny, hormony, činitelé imunitního systému, teplo, odpady a další komodity. [198] U annelidů, jako jsou žížaly a pijavice, je krev poháněna peristaltickými vlnami stahů srdečních svalů, které tvoří cévy. Ostatní zvířata, jako jsou korýši (např. Raci a humři), mají více než jedno srdce, které pohání krev po celém těle. Srdce obratlovců jsou vícekomorová a jsou schopna pumpovat krev, když se jejich komory stáhnou v každém srdečním cyklu, který pohání krev krevními cévami. [198] Přestože jsou srdce obratlovců myogenní, jejich rychlost kontrakce (neboli srdeční frekvence) může být modulována nervovým vstupem z autonomního nervového systému těla.

Sval a pohyb

U obratlovců se svalový systém skládá z kosterních, hladkých a srdečních svalů. Umožňuje pohyb těla, udržuje držení těla a prokrvuje tělo. [201] Spolu s kosterním systémem tvoří pohybový aparát, který je zodpovědný za pohyb obratlovců. [202] Kontrakce kosterních svalů jsou neurogenní, protože vyžadují synaptický vstup z motorických neuronů. Jeden motorický neuron je schopen inervovat více svalových vláken, což způsobuje, že se vlákna současně smršťují. Jakmile jsou inervovány, proteinová vlákna v každém vláknu kosterního svalu kloužou kolem sebe a vytvářejí kontrakci, což je vysvětleno teorií klouzavých vláken. Vytvořená kontrakce může být popsána jako záškuby, shrnutí nebo tetanus, v závislosti na frekvenci akčních potenciálů. Na rozdíl od kosterních svalů jsou kontrakce hladkých a srdečních svalů myogenní, protože jsou iniciovány samotnými buňkami hladkého nebo srdečního svalu místo motorického neuronu. Sílu jejich kontrakcí lze nicméně modulovat vstupem z autonomního nervového systému. Mechanismy kontrakce jsou podobné ve všech třech svalových tkáních.

U bezobratlých, jako jsou žížaly a pijavice, tvoří kruhové a podélné svalové buňky stěnu těla těchto zvířat a jsou zodpovědné za jejich pohyb. [203] Například u žížaly, která se pohybuje po půdě, dochází ke vzájemným stahům kruhových a podélných svalů, zatímco coelomická tekutina slouží jako hydroskeleton tím, že udržuje nevolnost žížaly. [204] Ostatní zvířata, jako jsou měkkýši a hlístice, mají šikmo pruhované svaly, které obsahují pásy tlustých a tenkých vláken, které jsou uspořádány spirálovitě spíše než příčně, jako v kosterních nebo srdečních svalech obratlovců. [205] Pokročilý hmyz, jako jsou vosy, mouchy, včely a brouci, má asynchronní svaly, které u těchto zvířat tvoří letové svaly. [205] Těmto letovým svalům se často říká fibrilární svaly protože obsahují myofibrily, které jsou silné a nápadné. [206]

Nervový systém

Nervový systém je síť buněk, která zpracovává smyslové informace a generuje chování. Na buněčné úrovni je nervový systém definován přítomností neuronů, což jsou buňky specializované na zpracování informací. [208] Mohou vysílat nebo přijímat informace na místech kontaktů nazývaných synapse. [208] Přesněji řečeno, neurony mohou vést nervové impulsy (nebo akční potenciály), které cestují podél jejich tenkých vláken nazývaných axony, které pak mohou být přenášeny přímo do sousední buňky elektrickými synapsemi nebo způsobit, že se chemické synapsy uvolňují chemikálie zvané neurotransmitery. Podle teorie sodíku mohou být tyto akční potenciály generovány zvýšenou propustností buněčné membrány neuronu pro ionty sodíku. [209] Buňky, jako jsou neurony nebo svalové buňky, mohou být excitovány nebo inhibovány po přijetí signálu z jiného neuronu. Spojení mezi neurony může tvořit nervové dráhy, nervové obvody a větší sítě, které generují vnímání světa organismem a určují jeho chování. Spolu s neurony obsahuje nervový systém další specializované buňky zvané glia nebo gliové buňky, které poskytují strukturální a metabolickou podporu.

Nervové systémy se nacházejí ve většině mnohobuněčných zvířat, ale velmi se liší složitostí. [210] U obratlovců se nervový systém skládá z centrálního nervového systému (CNS), který zahrnuje mozek a míchu, a periferního nervového systému (PNS), který se skládá z nervů, které spojují CNS s každou další částí tělo. Nervy, které přenášejí signály z CNS, se nazývají motorické nervy nebo eferentní nervy, zatímco ty nervy, které přenášejí informace z těla do CNS, se nazývají senzorické nervy nebo aferentní nervy. Míšní nervy jsou smíšené nervy, které plní obě funkce. PNS je rozdělen na tři samostatné subsystémy, somatický, autonomní a enterický nervový systém. Somatické nervy zprostředkovávají dobrovolný pohyb. Autonomní nervový systém je dále rozdělen na sympatický a parasympatický nervový systém. Sympatický nervový systém se aktivuje v případě nouze k mobilizaci energie, zatímco parasympatický nervový systém se aktivuje, když jsou organismy v uvolněném stavu. Enterosolventní nervový systém řídí gastrointestinální systém. Autonomní i enterický nervový systém funguje nedobrovolně. Nervy, které vycházejí přímo z mozku, se nazývají kraniální nervy, zatímco ty, které vystupují z míchy, se nazývají spinální nervy.

Mnoho zvířat má smyslové orgány, které dokážou detekovat jejich prostředí. Tyto smyslové orgány obsahují smyslové receptory, což jsou smyslové neurony, které přeměňují podněty na elektrické signály. [211] Například mechanoreceptory, které se nacházejí v kůži, svalech a sluchových orgánech, generují akční potenciály v reakci na změny tlaků. [211] [212] Fotoreceptorové buňky, jako jsou tyčinky a čípky, které jsou součástí sítnice obratlovců, mohou reagovat na specifické vlnové délky světla. [211] [212] Chemoreceptory detekují chemikálie v ústech (chuť) nebo ve vzduchu (vůně). [212]

Hormonální kontrola

Hormony jsou signální molekuly transportované v krvi do vzdálených orgánů, aby regulovaly jejich funkci. [213] [214] Hormony jsou vylučovány vnitřními žlázami, které jsou součástí endokrinního systému zvířete. U obratlovců je hypotalamus nervovým kontrolním centrem pro všechny endokrinní systémy. Konkrétně u lidí jsou hlavními endokrinními žlázami štítná žláza a nadledviny. Mnoho dalších orgánů, které jsou součástí jiných tělesných systémů, má sekundární endokrinní funkce, včetně kostí, ledvin, jater, srdce a pohlavních žláz. Ledviny například vylučují endokrinní hormon erytropoetin. Hormony mohou být komplexy aminokyselin, steroidy, eikosanoidy, leukotrieny nebo prostaglandiny. [215] Endokrinní systém lze postavit do kontrastu jak s exokrinními žlázami, které vylučují hormony ven z těla, tak s parakrinní signalizací mezi buňkami na relativně krátkou vzdálenost. Endokrinní žlázy nemají žádné kanály, jsou cévní a obvykle mají intracelulární vakuoly nebo granule, které ukládají jejich hormony. Naproti tomu exokrinní žlázy, jako jsou slinné žlázy, potní žlázy a žlázy v gastrointestinálním traktu, bývají mnohem méně cévní a mají potrubí nebo dutý lumen.

Reprodukce zvířat

Zvířata se mohou reprodukovat jedním ze dvou způsobů: asexuální a sexuální. Téměř všechna zvířata se zabývají nějakou formou sexuální reprodukce. [216] Meiózou produkují haploidní gamety. Menší, pohyblivé gamety jsou spermie a větší, nepohyblivé gamety jsou vajíčka. [217] Tyto fúze tvoří zygoty, [218] které se prostřednictvím mitózy vyvíjejí do duté koule, nazývané blastula. Larvy blastulí v houbách plavou na nové místo, přichytí se k mořskému dnu a vyvinou se v novou houbu. [219] Ve většině ostatních skupin dochází k komplikovanějšímu přeskupení blastuly. [220] Nejprve invaginuje a vytvoří gastrulu s trávicí komorou a dvěma oddělenými zárodečnými vrstvami, vnějším ektodermem a vnitřním endodermem. [221] Ve většině případů se mezi nimi vyvíjí také třetí zárodečná vrstva, mezoderm. [222] Tyto zárodečné vrstvy se pak diferencují a tvoří tkáně a orgány. [223] Některá zvířata jsou schopná nepohlavní reprodukce, což často vyústí v genetický klon rodiče. To může probíhat prostřednictvím fragmentace pučení, jako například v Hydra a další cnidariáni nebo partenogeneze, kde se plodná vajíčka produkují bez páření, například u mšic. [224] [225]

Vývoj zvířat

Vývoj zvířat začíná tvorbou zygoty, která je výsledkem fúze spermatu a vajíčka během oplodnění. [226] Zygota prochází rychlými několika koly mitotické buněčné periody buněčných dělení zvané štěpení, která tvoří kuličku podobných buněk nazývanou blastula. Dochází ke gastrulaci, přičemž morfogenetické pohyby přeměňují buněčnou hmotu na tři zárodečné vrstvy, které obsahují ektoderm, mezoderm a endoderm.

Konec gastrulace signalizuje začátek organogeneze, přičemž tři zárodečné vrstvy tvoří vnitřní orgány organismu. [227] Buňky každé ze tří zárodečných vrstev procházejí diferenciací, což je proces, kdy se méně specializované buňky stávají více specializovanými expresí specifické sady genů. Buněčná diferenciace je ovlivněna extracelulárními signály, jako jsou růstové faktory, které jsou vyměňovány do sousedních buněk, což se nazývá juxtrakrinní signalizace, nebo do sousedních buněk na krátké vzdálenosti, což se nazývá parakrinní signalizace. [228] [229] Nitrobuněčné signály se skládají ze samotné buněčné signalizace (autokrinní signalizace), rovněž hrají roli při tvorbě orgánů. Tyto signální dráhy umožňují přeskupení buněk a zajišťují, že se orgány vytvářejí na konkrétních místech v organismu. [227] [230]

Imunitní systém

Imunitní systém je síť biologických procesů, která detekuje a reaguje na širokou škálu patogenů. Mnoho druhů má dva hlavní subsystémy imunitního systému. Vrozený imunitní systém poskytuje předkonfigurovanou reakci na široké skupiny situací a podnětů. Adaptivní imunitní systém poskytuje přizpůsobenou reakci na každý podnět tím, že se učí rozpoznávat molekuly, se kterými se dříve setkal. Oba používají k plnění svých funkcí molekuly a buňky.

Téměř všechny organismy mají nějaký druh imunitního systému. Bakterie mají základní imunitní systém ve formě enzymů, které chrání před virovými infekcemi. Další základní imunitní mechanismy se vyvinuly ve starověkých rostlinách a zvířatech a zůstaly u jejich moderních potomků. Tyto mechanismy zahrnují fagocytózu, antimikrobiální peptidy nazývané defensiny a systém komplementu. Čelistí obratlovci, včetně lidí, mají ještě propracovanější obranné mechanismy, včetně schopnosti přizpůsobit se efektivnějšímu rozpoznávání patogenů. Adaptivní (nebo získaná) imunita vytváří imunologickou paměť vedoucí k lepší reakci na následující setkání se stejným patogenem. Tento proces získané imunity je základem očkování.

Chování zvířat

Chování hraje ústřední roli v interakci zvířat mezi sebou navzájem a se svým prostředím. [231] Jsou schopni použít své svaly k tomu, aby se k sobě přibližovali, vokalizovali, hledali úkryt a migrovali. Nervový systém zvířete aktivuje a koordinuje jeho chování. Fixní akční vzorce jsou například geneticky podmíněné a stereotypní chování, ke kterému dochází bez učení. [231] [232] Toto chování je pod kontrolou nervového systému a může být docela komplikované. [231] Mezi příklady patří klování mláďat racků řas na červenou tečku na zobáku jejich matky. Jiné chování, které se objevilo v důsledku přirozeného výběru, zahrnuje hledání potravy, páření a altruismus. [233] Kromě vyvinutého chování se u zvířat vyvinula také schopnost učit se úpravou jejich chování v důsledku raných individuálních zkušeností. [231]

Ekologie

Ekosystémy

Ekologie je studium distribuce a hojnosti živých organismů, interakce mezi nimi a jejich prostředím.[234] Komunita živých (biotických) organismů ve spojení s neživými (abiotickými) složkami (např. Voda, světlo, záření, teplota, vlhkost, atmosféra, kyselost a půda) jejich prostředí se nazývá ekosystém. [235] [236] [237] Tyto biotické a abiotické složky jsou spojeny dohromady prostřednictvím živných cyklů a energetických toků. [238] Energie ze slunce vstupuje do systému prostřednictvím fotosyntézy a je začleněna do rostlinné tkáně. Při krmení rostlinami a navzájem hrají zvířata důležitou roli v pohybu hmoty a energie systémem. Ovlivňují také množství přítomné rostlinné a mikrobiální biomasy. Rozkladem odumřelé organické hmoty uvolňují rozkladače uhlík zpět do atmosféry a usnadňují koloběh živin přeměnou živin uložených v mrtvé biomase zpět do formy, kterou mohou rostliny a jiné mikroby snadno využít. [239]

Fyzické prostředí Země je formováno sluneční energií a topografií. [237] Množství sluneční energie se mění v prostoru a čase v důsledku sférického tvaru Země a jejího osového náklonu. Kolísání příkonu sluneční energie ovlivňuje počasí a klima. Počasí je každodenní teplotní a srážková aktivita, zatímco klima je dlouhodobý průměr počasí, který se obvykle zprůměruje po dobu 30 let. [240] [241] Variace v topografii také vytváří heterogenitu prostředí. Na návětrné straně hory například stoupá a ochlazuje vzduch, přičemž voda se mění z plynné na kapalnou nebo pevnou, což má za následek srážky, jako je déšť nebo sníh. [237] V důsledku toho vlhké prostředí umožňuje růst bujné vegetace. Oproti tomu podmínky bývají na závětrné straně hory suché kvůli nedostatku srážek, protože vzduch klesá a otepluje se a vlhkost zůstává jako vodní pára v atmosféře. Teplota a srážky jsou hlavními faktory, které formují pozemské biomy.

Populace

Populace je počet organismů stejného druhu, které zaujímají oblast a reprodukují se z generace na generaci. [242] [243] [244] [245] [246] Jeho početnost lze měřit pomocí hustoty osídlení, což je počet jedinců na jednotku plochy (např. Země nebo strom) nebo objem (např. Moře nebo vzduch). [242] Vzhledem k tomu, že je obvykle nepraktické počítat každého jednotlivce v rámci velké populace, aby se určila jeho velikost, lze velikost populace odhadnout vynásobením hustoty osídlení plochou nebo objemem. Populační růst v krátkodobých intervalech lze určit pomocí rovnice rychlosti růstu populace, která bere v úvahu míru narození, úmrtí a imigrace. V dlouhodobém horizontu má exponenciální růst populace tendenci zpomalovat, protože dosahuje své únosnosti, což lze modelovat pomocí logistické rovnice. [243] Únosnost prostředí je maximální velikost populace druhu, kterou lze v daném konkrétním prostředí udržet, a to s ohledem na dostupné jídlo, stanoviště, vodu a další zdroje. [247] Únosnost populace může být ovlivněna měnícími se podmínkami prostředí, jako jsou změny v dostupnosti zdrojů a náklady na jejich udržování. V lidské populaci nové technologie, jako je zelená revoluce, pomohly v průběhu času zvýšit nosnost Země pro lidi, což ztěžovalo pokusy o předpovědi blížícího se úbytku populace, z nichž nejznámější byl Thomas Malthus v 18. století. [242]

Komunity

Komunita je skupina populací dvou nebo více různých druhů, které zaujímají stejnou geografickou oblast současně. Biologická interakce je účinek, který na sebe navzájem působí dvojice organismů žijících společně v komunitě. Mohou být buď stejného druhu (vnitrodruhové interakce), nebo různých druhů (mezidruhové interakce). Tyto efekty mohou být krátkodobé, jako opylování a predace, nebo dlouhodobé, oba často silně ovlivňují vývoj příslušných druhů. Dlouhodobá interakce se nazývá symbióza. Symbiózy se pohybují od vzájemnosti, prospěšné pro oba partnery, až po konkurenci, škodlivé pro oba partnery. [249]

Každý druh se účastní jako spotřebitel, zdroj nebo obojí interakcí spotřebitel -zdroj, které tvoří jádro potravinových řetězců nebo potravinových sítí. [250] V každé potravní síti existují různé trofické úrovně, přičemž nejnižší úrovní jsou primární producenti (nebo autotrofové), jako jsou rostliny a řasy, které přeměňují energii a anorganický materiál na organické sloučeniny, které pak mohou být použity zbytkem společenství. [54] [251] [252] Na další úrovni jsou heterotrofy, což jsou druhy, které získávají energii rozbitím organických sloučenin od jiných organismů. [250] Heterotrofy, které konzumují rostliny, jsou primárními konzumenty (nebo býložravci), zatímco heterotrofy, které konzumují býložravce, jsou sekundárními konzumenty (nebo masožravci). A ti, kteří jedí sekundární spotřebitele, jsou terciární spotřebitelé a tak dále. Všežraví heterotrofové jsou schopni konzumovat na více úrovních. Nakonec existují rozkladače, které se živí odpadními produkty nebo mrtvými těly organismů. [250]

V průměru je celkové množství energie začleněné do biomasy trofické úrovně za jednotku času asi jedna desetina energie trofické úrovně, kterou spotřebuje. Odpad a mrtvý materiál používaný rozkladači, stejně jako teplo ztracené z metabolismu, tvoří dalších devadesát procent energie, která není spotřebována další trofickou úrovní. [253]

Biosféra

V globálním ekosystému (nebo biosféře) existuje hmota jako různé interagující oddíly, které mohou být biotické nebo abiotické, stejně jako přístupné nebo nepřístupné, v závislosti na jejich formách a umístěních. [255] Například hmota z pozemských autotrofů je jak biotická, tak přístupná jiným živým organismům, zatímco hmota v horninách a minerálech je abiotická a pro živé organismy nepřístupná. Biogeochemický cyklus je dráha, při které se určité prvky hmoty převracejí nebo přesouvají biotickými (biosférou) a abiotickými (litosférou, atmosférou a hydrosférou) kompartmenty Země. Existují biogeochemické cykly pro dusík, uhlík a vodu. V některých cyklech existují nádrže kde látka zůstává nebo je sekvestrována po dlouhou dobu.

Změna klimatu zahrnuje jak globální oteplování poháněné emisemi skleníkových plynů způsobenými člověkem, tak výsledné rozsáhlé posuny v počasí. Ačkoli tam byla předchozí období klimatických změn, od poloviny 20. století měli lidé nebývalý dopad na klimatický systém Země a způsobili změny v globálním měřítku. [256] Největší hnací silou oteplování jsou emise skleníkových plynů, z nichž více než 90% tvoří oxid uhličitý a metan. [257] Spalování fosilních paliv (uhlí, ropa a zemní plyn) pro spotřebu energie je hlavním zdrojem těchto emisí, s dalšími příspěvky ze zemědělství, odlesňování a výroby. [258] Nárůst teploty je urychlován nebo zmírňován zpětnou vazbou na klima, jako je ztráta sněhu a ledové pokrývky odrážející sluneční světlo, zvýšená vodní pára (samotný skleníkový plyn) a změny v propadech uhlíku na pevnině a v oceánu.

Zachování

Biologická ochrana je studium zachování biologické rozmanitosti Země s cílem chránit druhy, jejich stanoviště a ekosystémy před nadměrným tempem vyhynutí a erozí biotických interakcí. [259] [260] [261] Zabývá se faktory, které ovlivňují udržování, ztrátu a obnovu biologické rozmanitosti, a vědou o udržitelných evolučních procesech, které plodí genetickou, populační, druhovou a ekosystémovou rozmanitost. [262] [263] [264] [265] Obava vyplývá z odhadů naznačujících, že během příštích 50 let zmizí až 50% všech druhů na planetě [266], což přispělo k chudobě, hladovění a vůli resetovat průběh evoluce na této planetě. [267] [268] Biodiverzita ovlivňuje fungování ekosystémů, které poskytují různé služby, na nichž jsou lidé závislí.

Biologové z oblasti ochrany zkoumají a vzdělávají v oblasti trendů ztráty biologické rozmanitosti, vyhynutí druhů a negativního účinku, který mají na naše schopnosti udržovat blahobyt lidské společnosti. Organizace a občané reagují na současnou krizi biologické rozmanitosti prostřednictvím akčních plánů na ochranu přírody, které usměrňují výzkumné, monitorovací a vzdělávací programy, které v globálním měřítku vyvolávají obavy na místní úrovni. [269] [262] [263] [264]


Biologické novinky

Když přemýšlíte o obchodu a tržních vztazích, můžete přemýšlet o tom, jak na sebe burcují makléři na podlaze burzy na Wall Street. Ale zdá se, že jednou ze základních funkcí volného trhu je tiše.

Podle nové studie byli dinosauři před koncem na ústupu

Smrt dinosaurů před 66 miliony let byla způsobena dopadem obrovského asteroidu na Zemi. Paleontologové však nadále diskutují o tom, zda již byli před dopadem na ústupu nebo ne.

Jak se rostliny stávají dobrými sousedy v době stresu

Vědci zjistili, jak se rostlinám daří žít vedle sebe na tmavých a stinných místech.

Studie poskytuje první důkaz v celém genomu pro funkční význam neobvyklých struktur DNA

Některé oblasti lidského genomu, kde se DNA může skládat do neobvyklých trojrozměrných struktur nazývaných G-quadruplexy (G4s), vykazují známky toho, že jsou zachovány přirozeným výběrem. Když jsou G4 umístěny v předpisech.

Molekulární a výpočetní biologie

Nový hromadný test na koronavirus až 100krát citlivější než rychlé testy antigenu

Nový test na koronavirus vyvinutý ve Fakultní nemocnici Bonn dokáže analyzovat velký počet stěrů současně pomocí technologie sekvenování a má citlivost porovnatelnou s běžným testem qPCR. Inovativní metoda.

Kavka neutěšuje traumatizované kamarády

Samci kavek se nedrží, aby utěšili svého partnera po traumatickém zážitku, ukazuje nový výzkum.

Studie ukazuje účinnost potlačení samic ovocných mušek

Populace ovocných mušek Drosophila suzukii-takzvaných „skvrnitých křídel Drosophila“, které devastují plody s měkkou pletí v Severní Americe, Evropě a částech Jižní Ameriky-by bylo možné zavedením výrazně potlačit.

Horké noci pletou cirkadiánní hodiny v rýži a poškozují úrodu

Rostoucí noční teploty omezují výnosy plodin pro rýži a nový výzkum nás posouvá blíže k pochopení proč. Studie zjistila, že teplejší noci mění biologický plán rýžové rostliny se stovkami genů.

Vidět žížalu v novém světle

Žížaly v půdních ekosystémech zažívají neustálé chemické interakce s bakteriemi, houbami, rostlinami a malými bezobratlými. I ve svých tkáních ukrývají žížaly symbiotické mikroby a parazity malých zvířat.

Evoluce axiálního vzorování

Osy těla jsou systémy molekulárních souřadnic, podél kterých se aktivují regulační geny. Tyto geny pak aktivují vývoj anatomických struktur na správných místech v embryu. Tělo tedy zajišťuje, že my.

Elitní freedivers mají hladiny kyslíku v mozku nižší než tuleni

Elitní freedivers, kteří se potápí bez pomoci na otevřeném moři, mají hladiny kyslíku v mozku ještě nižší než tuleni během svých nejhlubších ponorů, zjistil nový výzkum na univerzitě v St. Andrews.

Mongoose ve městě: Jak může krajina ovlivnit přenos chorob v Botswaně

Pod betonovou drenážní propustí na okraji města v Botswaně se vojsko pruhovaného mongoose chystá opustit svůj doupě. Pohybující se ze stínu do světla, zvířata velikosti kočky skenují oblast pro známky nebezpečí a.

Výzkumníci zkoumají, zda by expozice odpařenému THC mohla změkčit humry směřující do varné nádoby

Tento příběh o humrech začíná před několika lety, kdy majitel restaurace na severovýchodě z mořských plodů veřejně prohlásil, že vystavení humrů malému konopí před vařením způsobilo výrazné změny v jejich chování a.

Jak bílkoviny vážou „skrytou“ DNA

Jak mohou proteiny vázat DNA v buněčném jádru, kde je přítomna ve formě chromatinu, pevně zabalená kolem histonů, a proto většinou nedostupná? V poslední době začalo několik studií odhalovat různé strategie.

Rozmanitost drobných bobulí chobotnice poháněná starodávnými biogeografickými událostmi, objevuje novou studii

Chobotnice bobtail a bottletail jsou malí mořští bezobratlí, kteří se snadno sbírají, rychle se množí a lze je chovat společně ve velkém v laboratořích, což z nich činí užitečná modelová zvířata pro výzkum. Jsou.

Nová metoda mikroskopie poskytuje pohled do budoucnosti buněčné biologie

Co kdyby nám mikroskop umožnil prozkoumat 3D mikrokosmos cév, nervů a rakovinných buněk okamžitě ve virtuální realitě? Co kdyby to mohlo poskytovat pohledy z více směrů v reálném čase bez fyzického.

Nová zjištění ke zvýšení výnosů ječmene při vyšších teplotách

Mezinárodní tým výzkumníků identifikoval nový mechanismus v rostlinách ječmene, který by mohl pěstitelům plodin pomoci dosáhnout vysokých výnosů při zvyšování teplot.

Akvarijní kříženci divokých a laboratorních korálů v průlomovém průlomu

Floridské akvárium dosáhlo dalšího významného milníku ve své misi obnovit korálové útesy díky křížení a kryokonzervaci.

Gorily odchované v zajetí rodí ve volné přírodě: zoologické zahrady

Gorilí mládě se narodilo ve volné přírodě v Gabonu od dvou rodičů, kteří vyrostli v zajetí v Evropě, ve světovém prvenství, které v úterý oslavovali ochránci ohrožených druhů.

Výzkumníci určují jedinečné rostoucí výzvy pro sóju v Africe

Navzdory vysokému obsahu bílkovin a olejů v sóji a jejich potenciálu posílit potravinovou bezpečnost na kontinentu produkuje Afrika méně než 1% světové plodiny sóji. Produkce částečně zaostává, protože většina kultivarů sóji.


Učení se arktické biologii

Představte si, že stojíte na malém kopci, díváte se na obrovský úsek arktické tundry se studeným větrem ve tváři a přemýšlíte: Jaké organismy zde mohu najít? Jak se jim daří žít v tomto chladném, drsném prostředí?

Na stránkách tohoto otevřeného portálu elektronického učení se snažíme s dnešními znalostmi a rsquos odpovědět na takové otázky, jak jen to jde. Poskytuje materiál a informace, včetně odkazů na další čtení, o arktických ekosystémech a organismech žijících v Arktidě, se zvláštním zaměřením na vysokohorské souostroví Špicberky. Prostřednictvím sady virtuálních průvodců se také snažíme propojit teorii s praxí a pomoci návštěvníkům filtrovat složitost reality a všímat si skrytých vzorců arktické přírody.

Materiál připravili nebo zkontrolovali vědci pracující v Arktidě v příslušných oborech a doufáme, že může být zdrojem jak pro studenty, tak pro učitele, kteří se učí a učí arktickou biologii na univerzitách, ale také pro středoškolské učitele a žáky, arktickou přírodu průvodci a další.


Podívejte se na video: How Bad Was The Great Oxidation Event? (Listopad 2021).